如今，大部分細(xì)胞在塑料培養(yǎng)皿的表面生長(zhǎng)，也就是說(shuō)，是二維的。但在體內(nèi)，細(xì)胞則被其他細(xì)胞、組織和細(xì)胞外基質(zhì)重重包圍。 

    于是，研究人員開(kāi)始嘗試3D細(xì)胞培養(yǎng)，并觀察它與2D培養(yǎng)的差異，包括基因表達(dá)、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、細(xì)胞增殖、細(xì)胞形態(tài)、細(xì)胞間相互作用以及藥物反應(yīng)的改變。

    幸運(yùn)的是，從2D到3D細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換并非想象中那么困難，而且也是相當(dāng)值得的。“你的收獲在于所研究的細(xì)胞更接近它們的真實(shí)環(huán)境，這對(duì)你的生物學(xué)研究有好處，”TAP Biosystems的RAFT開(kāi)發(fā)主管Grant Cameron如是說(shuō)。

    下面我們就來(lái)介紹一些從2D向3D轉(zhuǎn)換時(shí)的注意事項(xiàng)。

3D系統(tǒng)的類(lèi)型

    3D細(xì)胞培養(yǎng)基質(zhì)（或支架）為細(xì)胞培養(yǎng)環(huán)境增添了第三維。它們有幾種主要的類(lèi)型，包括來(lái)自天然材料的水凝膠支架，如細(xì)胞外基質(zhì)膠原蛋白。TAP Biosystems的RAFT（Real Architecture for 3D Tissue）技術(shù)正是基于膠原蛋白，它讓研究人員能夠開(kāi)展細(xì)胞生物學(xué)、藥物開(kāi)發(fā)和組織工程等研究。

    Life Technologies的Geltrex®和BD Biosciences的BD Matrigel™是從小鼠腫瘤中提取出的基底膜基質(zhì)，Sigma-Aldrich的MaxGel™是人細(xì)胞外基質(zhì)，而Life Technologies的AlgiMatrix來(lái)源于褐色海藻。Microtissues公司在其3D 培養(yǎng)皿上使用基于瓊脂糖的水凝膠。據(jù)介紹，在這種培養(yǎng)皿上，細(xì)胞會(huì)聚集并自我組裝成數(shù)百個(gè)大小均一的多細(xì)胞球體。

    中所使用的第二種類(lèi)型的支架是合成的水凝膠，有時(shí)也包括仿生肽，它們可增強(qiáng)整合素的結(jié)合。BD Biosciences的BD™ PuraMatrix™肽段水凝膠和Sigma-Aldrich的HydroMatrix™就屬于這一類(lèi)型，而Cellendes的3D Life Biomimetic 水凝膠也是由聚合物和交聯(lián)劑制成的。

    其他類(lèi)型的人造支架是來(lái)自組織培養(yǎng)的塑料，甚至是可生物降解的塑料。還有一個(gè)系統(tǒng)，是利用磁懸浮讓細(xì)胞懸浮，其中細(xì)胞產(chǎn)生自己的細(xì)胞外環(huán)境，而無(wú)需塑料支架。

    n3D Biosciences公司的Bio-Assembler™系統(tǒng)就是這種，利用磁懸浮來(lái)3D培養(yǎng)細(xì)胞。該公司的科學(xué)家Glauco Souza介紹：“我們利用磁性納米顆粒來(lái)實(shí)現(xiàn)，而無(wú)需支架。你可以利用磁性筆來(lái)移動(dòng)細(xì)胞，創(chuàng)建組織層，然后拿走磁鐵，細(xì)胞就自由了。”Souza領(lǐng)導(dǎo)的研究小組利用這種方法生成了一種四層的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，類(lèi)似于肺組織。

    此外，還有一些系統(tǒng)可誘導(dǎo)球體形成，如B-Bridge的Lipidure-Coat板、3D Biomatrix的Perfecta3D®懸滴板，以及STEMCELL的AggreWell™，適合人誘導(dǎo)多能干細(xì)胞和胚胎干細(xì)胞。

何時(shí)轉(zhuǎn)換

    越來(lái)越多的證據(jù)表明，在3D培養(yǎng)系統(tǒng)中生長(zhǎng)的細(xì)胞會(huì)表現(xiàn)出更生理的表型、相互作用及反應(yīng)。因此，當(dāng)結(jié)果的生理相關(guān)性很重要，或者你無(wú)法通過(guò)其他方式來(lái)準(zhǔn)確重現(xiàn)細(xì)胞行為時(shí)，或許應(yīng)該考慮向3D轉(zhuǎn)換。

    AMSBIO的業(yè)務(wù)部Peter Rettenberger認(rèn)為：“細(xì)胞在平坦的塑料表面上生長(zhǎng)，這與它們天然的生理環(huán)境相距甚遠(yuǎn)，也需要一定程度的適應(yīng)。與之相關(guān)的是對(duì)細(xì)胞的某種選擇壓力。”

    當(dāng)然，對(duì)于了解報(bào)告基因表達(dá)的轉(zhuǎn)染實(shí)驗(yàn)而言，3D培養(yǎng)可能并不重要。但如果你研究的是復(fù)雜的藥物相互作用，情況就大不相同了。在3D培養(yǎng)中，細(xì)胞對(duì)抗癌藥物的敏感性可能與活體腫瘤更為相似。3D微組織中的藥物運(yùn)輸和擴(kuò)散更像3D的器官和組織。

    現(xiàn)在你準(zhǔn)備好了？以下這些秘訣可幫助你平穩(wěn)過(guò)渡。首先，注意接種密度，需要比2D培養(yǎng)更高。Cameron解釋道：“許多細(xì)胞要彼此靠近，甚至要與其他細(xì)胞類(lèi)型共同培養(yǎng)。每孔中的細(xì)胞數(shù)量應(yīng)增加，10-20倍是個(gè)合理的考慮因素。”他還建議在開(kāi)展實(shí)驗(yàn)之前讓細(xì)胞有一些過(guò)渡時(shí)間。

    選擇的3D支架材料也是成功過(guò)渡的一個(gè)關(guān)鍵因素。Cardy建議考慮幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：“我是否需要模擬細(xì)胞的天然細(xì)胞外基質(zhì)？是否需要細(xì)胞形成有功能的多細(xì)胞結(jié)構(gòu)？是否需要通過(guò)顯微鏡來(lái)分析我的3D培養(yǎng)，和/或回收細(xì)胞用于進(jìn)一步分析？我是否想要控制凝膠的剛度和生物活性成分？”這些問(wèn)題的答案可以幫助你縮小選擇范圍。

小心陷阱

    支架的選擇也為3D培養(yǎng)的過(guò)渡帶來(lái)陷阱，因?yàn)樗屢恍┓治龇椒◤?fù)雜化。顯微鏡觀察就變得很有挑戰(zhàn)性。2D培養(yǎng)的單層細(xì)胞很容易成像，而3D培養(yǎng)物的多層細(xì)胞會(huì)散射光線。共聚焦顯微鏡則很好地解決了這個(gè)問(wèn)題，但其他類(lèi)型的分析也許還很難。Cardy認(rèn)為，許多支架都不適合免疫組化技術(shù)或細(xì)胞復(fù)蘇。

    此外，細(xì)胞的行為也可能與2D有很大區(qū)別，例如，形成更的結(jié)構(gòu)，如癌癥腫瘤樣。正如Cameron所言：“開(kāi)辟了一系列新的細(xì)胞反應(yīng)和可能，但這些也會(huì)讓研究人員大吃一驚。”

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