3D细胞培养技术为细胞提供一个更加接近体内生存条件的微环境，感觉就像“在家里一样”。该技术不仅仅应用于基于细胞的高通量药物筛选，还可以应用于医学中。

3D细胞培养，细胞生长更接近体内环境——感觉像“在家里一样”。因此，研究者通过3D培养技术从高通量筛选、毒物筛选及其它筛选中来获得接近体内真实情况的数据。

很难想象，在细胞培养技术还不存在的二十世纪早期，要完成一个以细胞为基础的实验会是一个什么的情况。如果没有传统细胞培养技术（在合成树脂的表面上2D条件下培养细胞）的广泛运用，临床研究者和学术研究者都可能得不到足够的细胞实验材料。但是，尽管传统细胞培养技术有着很好的用途，它仍然有局限性。正如美国麻里兰州Life Technologies 公司的主管Mark Powers博士所说，传统细胞培养技术在模拟细胞体内生存环境方面做得还不够。3D细胞培养技术的发明就是为了在细胞培养过程中，为细胞提供一个更加接近体内生存条件的微环境。这篇文章接下来就会详细介绍3D细胞培养技术的实例及其运用。

3D追随者

美国俄亥俄州立大学的化学与生物分子工程学教授，Shang-Tian Yang博士已经使用3D细胞培养技术来培养包括人胚胎干细胞和结肠癌细胞在内的许多不同类型的人源细胞。他用来在体外模拟体内生长条件的基本材料是一种聚对苯甲酸乙二醇酯纤维——一种具有非降解、生物兼容性和非纺织的纤维材料。他的实验采用3D细胞培养技术的一个主要原因就是3D培养得到的细胞形态比2D培养的更加精确，并且细胞形态常常对细胞的功能（信号转导等）产生影响。Yang已经开始通过他的3D细胞培养系统来筛选抗癌药物。但是他也通过比较2D培养和3D培养的细胞对已知的抗结肠癌药物——5-氟尿嘧啶——的反应来检验他的3D培养系统的有效性。Yang说：“总的来讲，3D培养的细胞对药物的抗性更强，其部分原因在于细胞周期行为的差异，差异的细胞标记表达等等”。从这些实验中，他推断：一般来讲，3D培养细胞的药物反应更加接近体内的情况，因此，在此基础上的药物筛选也更加可靠。

伦斯勒理工学院(RPI)生物技术与跨学科研究中心的主任兼教授Jonathan Dordick博士用3D细胞培养作为先导优化的一种筛选工具，并将其用来对培养皿上代表人类不同器官的细胞进行药物潜在毒性的检测。Dordick一般在一种凝胶状的，生物兼容的并且使用方便的藻酸盐基质上进行细胞培养。藻酸盐之所以使用方便，就是在于研究者可以通过添加钙或者钡来调节它的凝胶化。而且，藻酸盐的使用使Dordick向培养基中添加生长因子成为可能；比如，在他的小组开始培养干细胞的时候，这个特征就显得很重要了。

下面的一个微流控技术的实例中，Dordick和他在加利福尼亚大学的合作者Douglas Clark，发明了一种利用与微矩阵排列类似的方式在玻璃显微镜载物片上进行3D细胞培养的技术。一些载物片上，可以20-40纳升藻酸盐基质的点阵形式包含高达1000个不同的细胞培养物。由于这些功能强大的玻片具有高疏水性表面，所以玻片上的点阵会在藻酸盐基质上形成半球状的珠子，从而在3D培养细胞的同时，也限制了点阵中不同点之间的交流。这样，细胞就被限制在藻酸盐珠子上，并且通过提供的营养进行生长。Dordick在他的这种3D培养系统下，已经分别培养了原初的和转化的不同的人类细胞以及动物细胞。其中原初的人类细胞系包括肝细胞、星型胶质细胞和心肌细胞，而转化的细胞培养则包括肝细胞瘤、肾癌、乳癌和星细胞瘤。

有潜力的GEM

当然，3D细胞培养技术的应用不仅仅局限于学术研究机构，3D培养技术在制药工业中的客户就是很好的例子。美国弗吉利亚州夏洛特维尔市Global Cell Solutions (GSC) 公司已经为3D细胞的培养发展了一种以珠子（bead）为载体的底物。这种珠子或者微载体也称为GEM。根据该公司的总经理兼执行总裁Uday Gupta，GEM结合了基于藻酸盐和蛋白基质骨架，具有光学背景清晰、非自发荧光的特性，而且它的直径在75~100微米的范围内。很多标准的和相关的研究室细胞系都在这些珠子（beads）的表面上或核心进行过培养。另外，Gupta还说：“一个很好的特征就是我们能够用不同的蛋白——层粘连蛋白、明胶或者基底膜蛋白——对藻酸盐进行包裹。这个特征的重要性在于，随着药物发现领域已进入干细胞时代，这些特殊的包裹，将会在药物发现过程中对细胞的培养起极其重要的作用”。pH值和CO₂等培养条件是由Hamilton公司的BioLevitatora仪器提供的。

据Hamilton公司产品经理Jason March称，BioLevitator仪器与GEM技术的结合使得制药公司在药物筛选试验中可以精确、连续的进行大量的细胞培养。他还说：“技术结合的另一个特点就是我们不必再用胰蛋白酶来处理细胞——由于GEM的种种特性，实际上我们可以直接把微载体上培养的细胞吸取转移到96孔板，并准备直接做我们的下一步实验，而不用浪费时间去做胰蛋白酶处理，也不会损伤细胞……”。作为选择，研究者也可以简单地用GCS所生产的裂解液来解离细胞。GEM技术自2005年就已有商业化销售，BioLevitator也正处于beta测试中。

    总的来说，3D细胞培养技术在基础科学研究和制药研究中极大地提高了细胞实验的准确性。随着培养原料的数量和复杂度的增加，3D细胞培养技术的应用也会随之增加——作为对其使细胞“感觉更像在家里一样”的奖励。