三维细胞培养：综述

作者：张馨予

处于三维环境中的体内细胞具有特征性的生理和生物力学信号，影响细胞迁移、粘附、增殖和基因表达等功能（图1） [-] 。组织工程中特定细胞过程（如分化和形态发生）已被证明在三维环境中（3-D）比二维环境（2-D）中更容易发生 [, ] 。培养在3-D聚乙二醇（PEG）水凝胶中的间充质干细胞（MSCs）与生长在组织培养塑料平皿表面相比会显著上调平滑肌特异蛋白如αSMA和平滑肌肌球蛋白的表达 [] 。人类胚胎干细胞（hESC）在3-D中比2-D中分化成心肌细胞的效率更高，且在3-D中显著上调如MLC-2A/2V，cTnT， ANP，α-MHC and KV4。3等心脏功能特定标记物 [] 。具有家族性阿尔茨海默氏症突变的人神经干细胞，只有在三维培养中才能重现beta淀粉样斑块和神经纤维缠结 [] 。

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图 1. 三维细胞培养的示意图。

最近，含磁性氧化铁（MIO）的水凝胶已被用于处理培养细胞，细胞在含磁铁的培养基中悬浮。以这种方式，培养的细胞完全离开基于重力的基底 [] 。磁悬浮技术已经用于开发乳房肿瘤的体外模型 [] 。由于在体内的细胞仍然受重力影响，这种人工悬浮液对细胞代谢和行为的影响仍有待研究。在2015年，DNA程式化的细胞组装已被用于将细胞组装成想要的3三维组织 [] 。

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图 2. 应用磁悬浮的三维细胞培养示意图。来源于参考文献 [] 。

这篇综述将讨论各种三维细胞培养体系。

三维细胞培养的重要性

我们对三维细胞培养支架和模型的重要性的认识正不断加深。三维细胞培养能更准确地模拟正常的细胞形态，增殖，分化和迁移。

一个研究转变正在进行，那就是3-D的细胞培养体系正取代2-D培养体系。在体内动物模型检测之前或作为它的一种替代方式，体外实验正逐渐从2-D转变为3-D [, ] 。

三维细胞培养的优势与应用

三维培养体系可以利用允许对模拟的细胞微环境进行轻易操作的方法人工合成。

三维培养体系可以用细胞模拟不同的疾病状态来研究疾病模型 [] 。这也减少了对动物模型的需求。

研究药物剂量的影响，体外培养的细胞在三维中比在二维中更接近现实情况，因为细胞在2-D中与3-D中对药物的反应有差异 [] 。在3-D中，多层细胞而非（2-D中）仅仅单层细胞以及将细胞紧密结合在一起的紧密连接通过阻断或减缓影响药物的扩散，形成对药物天然屏障 [, , , ] 。

支架可以被合成以支持三维细胞生长，同时用于生长因子、药物或基因的传送 [-] 。

三维细胞培养在组织工程和再生医学领域有着直接的应用。

细胞支架

包含着生物信号分子的支架材料可以通过引导移植的细胞粘附、增殖以及分化或者在组织再生部位自发的细胞浸润来介导组织形成。3-D支架通常是生物兼容性的，以与组织生长相适应的速度降解和被吸收，因此决定了同化再生细胞结构的形状和功能 [] 。不管是合成的还是天然的3-D支架都有优于2-D表面支架的优势。虽然天然材料提供了重要的信号分子来介导生物兼容性，但他们往往缺乏合成材料的机械支持力。而复合材料则可以用来结合他们不同的优点。

材料优势
天然的蚕丝、胶原蛋白、明胶、透明质酸、海藻酸纤维蛋白原

可生物降解的

容易获得

具有生物活性，能够与细胞相互作用
合成的 PEG，PGA，PMMA，PLGA

促进受损组织结构的恢复

惰性

保质期长

很容易订制所需的孔隙率和降解时间

可预见、可重复的机械和物理性能

表一. 天然和合成材料。

目前已有很多种不同的支架使用各种各样的材料被研发出来，尤其是下面几种：水凝胶，商品化定制的支架，纤维支架，多孔支架，微球以及天然组织支架。

这些支架可利用各种制造技术来制成。然而，并没有通用的支架，使用哪种支架取决于想要实现的功能和所需的特性。

决定三维支架设计标准的一系列特性如下：生物材料；生物相容性；生物可降解性；孔隙率、孔径；几何结构；细胞共培养；形状和大小；连通性；导向性；力学性能（张力强度、弹性系数等） [] ；加入生理信号以及储存可溶性信号的能力；包含有不同的ECM（细胞外基质）。

多孔材料

海绵或泡沫多孔支架在组织工程应用中已被广泛使用。这些材料通常具有较高的孔隙率和均质的连通结构。合成的生物可降解的聚合物如聚乳酸、PGA，PLGA，PCL，PDLLA，以及基于PEO，PBT的PEE作为多孔支架材料被使用。