细胞三维培养与传统细胞培养的应用现状

江杨帆 何素冰 吴纳新 蔡 标 刁慧敏 戴陈伟 辛及娣

细胞技术作为医学生物技术中最核心、最基础的技术[1-2]，已成为当今医学科研工作的必备技能，广泛应用于生命科学的众多领域，与其他学科领域的交叉研究也日趋增多[3-4]。传统细胞培养通常为细胞生长在单层二维的玻璃或塑料平面上，属于二维培养，具有较好的伸展性，但不能充分真实模拟体内生长模式，最终影响细胞增殖、分化、凋亡、基因和蛋白表达等细胞过程。与二维培养系统相比，三维细胞培养系统能更准确地反映细胞在组织中的实际微环境，但三维细胞因为细胞呈现出层叠状而不能有效地使光穿过，导致细胞观察与二维细胞培养中的可视化存在明显差异，故三维细胞模型的检测在成像、分析、定量和自动化方面远不如传统细胞模型方便，有待于技术的进一步发展提高。两种培养系统存在各自的优点和不足，现将细胞三维培养与传统细胞培养技术研究应用现状作如下综述，以期为细胞培养的选择提供依据。

1 细胞三维培养及其优缺点

三维细胞培养技术(three-dimensional cell culture, TDCC)是将细胞放置在模仿体内细胞环境的三维培养载体内进行体外培养, 细胞在三维载体的立体空间结构中生长, 构成三维的细胞载体复合物[5]。相较于传统的二维单层细胞培养，TDCC能更好地模拟体内条件，能更紧密地模仿复杂的细胞组织间相互作用以及在体内的微环境，为细胞的最佳生长、分化提供了一个合适的微环境，并有在体外创造组织样结构的能力。通过允许单个细胞维持其正常的三维形状，有助于细胞与相邻细胞间形成复杂的相互作用和信号接收及发送，为不同类型的细胞培养创造一个更自然的生长环境。

2 传统细胞培养及其优缺点

传统细胞培养指细胞浸入到培养液中在普通的玻璃或塑料培养瓶、培养皿及培养板的表面生长，并且只会沿着二维平面延伸，故传统细胞培养为二维细胞培养模式。

离体组织细胞可通过传统细胞培养在体外进行生长繁殖，在较简单的条件下就能长时间直接观察，研究内容也便于通过倒置显微镜、荧光显微镜、流式细胞仪、免疫组化等技术来检测并记录结果。传统细胞培养因其研究费用较低，而且可以提供大量生物性状相似的实验对象，广泛应用于细胞生物学、组织胚胎学、药理学、肿瘤学、免疫学等学科。

虽然体外的细胞比体内细胞的代谢可能更恒定，但是，体外培养的环境与体内的环境不完全相同，缺乏体内的动态平衡。因此，细胞的生长更趋于单一化，其细胞形态和功能可能会发生一定程度的改变，所以体外传统培养的细胞无法与体内的细胞完全等同，随着TDCC的逐步突破并日趋成熟完善，传统细胞培养向TDCC的转变将成为未来的发展趋势。

3 细胞三维培养与传统细胞培养应用比较

3.1 肿瘤研究应用 动物模型是肿瘤研究的重要工具，可监测肿瘤药物的生物利用度、治疗效果和剂量限制毒性等。然而，动物模型因具有成本较高、物种差异等不足，在肿瘤研究中的伦理问题存在较大争议。体外细胞三维培养模型能较真实地模拟体内环境，它的使用可以减少用于肿瘤研究和药物评价的动物数量[6]。

在肿瘤药物筛选中，自然真实的三维环境将有助于更有效识别杀死癌症的药物或对正常细胞潜在危险的药物。此外，肿瘤的侵袭和血管生成等复杂过程，同样可以使用三维模式来进行模拟。三维模型也被应用于肿瘤抑制作用及其相关机制的研究，如缺氧诱导的耐药性[7]、转移样侵袭和癌细胞扩散[8]和癌相关的成纤维细胞浸润[9]等。

总之，肿瘤生物学的研究主要是基于体外实验细胞系，而TDCC能更好地代表组织结构和细胞微环境，三维癌症模型主要目标是缩小二维细胞系、动物模型和临床研究之间的差距。因此，通过开发先进三维细胞培养的体外模型，能够更加真实模拟体内肿瘤微环境[10-11]。

3.2 药物药理研究应用 筛选药物的标准程序包括在临床前和临床阶段对新的候选药物进行全面评价，许多药物在临床实验阶段失败，为了降低成本，最好在动物实验之前尽早排除有毒化合物，因此，以细胞为基础的分析技术通常是药物发现过程的一个关键的部分，它提供了一种简单快速，成本效益高的工具，避免了大规模和高成本的动物实验[12-13]。研究人员常通过细胞培养来观察不同药物对离体细胞的作用，从而为药物的药效作用提供实验依据以及临床实际使用参考，与传统二维模式相比，三维培养方式与观察到的生理条件更加密切相关、更为真实，更好地预测了体内药物处理，能够严格预测人类药物作用和安全性[14]。Nataša等[15]通过细胞三维模型比较已知化疗药物的辐射增敏效应，结果显示，在有效治疗浓度范围内，三维模型对于筛选新化合物更加高效。综上所述，TDCC在早期药物发现中将有广泛应用，如疾病建模、目标识别和验证、筛选、药物疗效和安全评估等。

三维细胞培养还有望成为抗病毒药物体外研究的理想工具，Koban等[16]通过对人表皮角质形成细胞NHEK三维培养和单层培养的比较来分析吉非替尼的抗病毒疗效，结果显示，吉非替尼在三维培养中细胞增殖和病毒复制显著降低，比传统单层培养低100倍，大大降低了细胞毒性水平。故三维培养因更准确模拟体内生理环境而有助于理解病毒与宿主之间的相互作用及机制，促进抗病毒药物的发展，从而在预防、诊断和治疗新型病毒性疾病具有巨大潜力。

3.3 干细胞研究应用 干细胞在组织工程和再生医学中的应用不可或缺，特别是对于成功修复长期自我更新的组织，如皮肤的应用，这使其成为再生医学治疗的一个潜在的强有力细胞来源。人类多能干细胞可以在体外培养并分化为人体的所有细胞类型，这些应用需要大量的高质量的细胞。因此，一个用于生产人类多能干细胞及其后代的良好三维系统显得尤为重要，三维生物系统可以提高人类胚胎干细胞衍生的多能干细胞和成人成体干细胞植入体内后的生存率和再生能力[17]，这一点已被众多研究人员的实验结果所证实。Lee等[18]通过实验证实了干细胞的三维培养较传统二维培养具有更高的生存率和基因组稳定性；Barsby等[19]通过实验证明在同一时间内三维培养模型诱导干细胞分化水平远超出二维培养，三维细胞培养大大促进胚胎干细胞分化；Lin等[20]也通过实验证明了三维条件下培养的干细胞具有更好的分化潜能。

三维细胞模型使干细胞分化在疾病建模和再生医学中的潜力得以发挥[21]。例如与传统单层培养相比，三维培养能显著改善肝细胞的分化和功能，结合干细胞三维聚集，干细胞可成为肝脏疾病细胞治疗一个新的来源[22]。另外，在组织工程领域，临床上肌肉骨骼组织的需求特别高，尤其是软骨和骨缺损[23]，三维技术也已被应用于骨及软骨的损伤再生；三维细胞模型还为神经元生长提供了良好的支架[24]，神经元在其中可以自由地向各个方向生长，形成神经元网络，这为神经细胞再生的研究提供了更好的方法[25]，并为神经退行性疾病的治疗提供了前景。

4 展望

目前众多研究对细胞三维培养与传统细胞培养模式的优缺点进行了比较分析。细胞三维培养因更加真实地模拟体内组织结构及微环境，广泛应用于医学各个研究领域，取得了一定的成就。但细胞三维培养技术有着诸多优点的同时，仍然需要面临不断发展和应对许多挑战，例如高质量成像技术的发展，三维培养中复杂形态功能的评估，三维培养设备的发展以及培养方法的完善等。综上所述，三维培养作为最主要的细胞培养技术，发展空间和挑战并存。有待进一步完善。

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