3D細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)為細(xì)胞提供一個更加接近體內(nèi)生存條件的微環(huán)境，感覺就像“在家里一樣”。該技術(shù)不僅僅應(yīng)用于基于細(xì)胞的高通量藥物篩選，還可以應(yīng)用于醫(yī)學(xué)中。
3D細(xì)胞培養(yǎng)，細(xì)胞生長更接近體內(nèi)環(huán)境——感覺像“在家里一樣”。因此，研究者通過3D培養(yǎng)技術(shù)從高通量篩選、毒物篩選及其它篩選中來獲得接近體內(nèi)真實情況的數(shù)據(jù)。
很難想象，在細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)還不存在的二十世紀(jì)早期，要完成一個以細(xì)胞為基礎(chǔ)的實驗會是一個什么的情況。如果沒有傳統(tǒng)細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)（在合成樹脂的表面上2D條件下培養(yǎng)細(xì)胞）的廣泛運用，臨床研究者和學(xué)術(shù)研究者都可能得不到足夠的細(xì)胞實驗材料。但是，盡管傳統(tǒng)細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)有著很好的用途，它仍然有局限性。正如美國麻里蘭州Life Technologies 公司的主管Mark Powers博士所說，傳統(tǒng)細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)在模擬細(xì)胞體內(nèi)生存環(huán)境方面做得還不夠。3D細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)的發(fā)明就是為了在細(xì)胞培養(yǎng)過程中，為細(xì)胞提供一個更加接近體內(nèi)生存條件的微環(huán)境。這篇文章接下來就會詳細(xì)介紹3D細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)的實例及其運用。
3D追隨者
美國俄亥俄州立大學(xué)的化學(xué)與生物分子工程學(xué)教授，Shang-Tian Yang博士已經(jīng)使用3D細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)來培養(yǎng)包括人胚胎干細(xì)胞和結(jié)腸癌細(xì)胞在內(nèi)的許多不同類型的人源細(xì)胞。他用來在體外模擬體內(nèi)生長條件的基本材料是一種聚對苯甲酸乙二醇酯纖維——一種具有非降解、生物兼容性和非紡織的纖維材料。他的實驗采用3D細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)的一個主要原因就是3D培養(yǎng)得到的細(xì)胞形態(tài)比2D培養(yǎng)的更加，并且細(xì)胞形態(tài)常常對細(xì)胞的功能（信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等）產(chǎn)生影響。Yang已經(jīng)開始通過他的3D細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)來篩選抗癌藥物。但是他也通過比較2D培養(yǎng)和3D培養(yǎng)的細(xì)胞對已知的抗結(jié)腸癌藥物——5-氟尿嘧啶——的反應(yīng)來檢驗他的3D培養(yǎng)系統(tǒng)的有效性。Yang說：“總的來講，3D培養(yǎng)的細(xì)胞對藥物的抗性更強，其部分原因在于細(xì)胞周期行為的差異，差異的細(xì)胞標(biāo)記表達(dá)等等”。從這些實驗中，他推斷：一般來講，3D培養(yǎng)細(xì)胞的藥物反應(yīng)更加接近體內(nèi)的情況，因此，在此基礎(chǔ)上的藥物篩選也更加可靠。
倫斯勒理工學(xué)院（RPI）生物技術(shù)與跨學(xué)科研究中心的主任兼教授Jonathan Dordick博士用3D細(xì)胞培養(yǎng)作為先導(dǎo)優(yōu)化的一種篩選工具，并將其用來對培養(yǎng)皿上代表人類不同器官的細(xì)胞進(jìn)行藥物潛在毒性的檢測。Dordick一般在一種凝膠狀的，生物兼容的并且使用方便的藻酸鹽基質(zhì)上進(jìn)行細(xì)胞培養(yǎng)。藻酸鹽之所以使用方便，就是在于研究者可以通過添加鈣或者鋇來調(diào)節(jié)它的凝膠化。而且，藻酸鹽的使用使Dordick向培養(yǎng)基中添加生長因子成為可能；比如，在他的小組開始培養(yǎng)干細(xì)胞的時候，這個特征就顯得很重要了。
下面的一個微流控技術(shù)的實例中，Dordick和他在加利福尼亞大學(xué)的合作者Douglas Clark，發(fā)明了一種利用與微矩陣排列類似的方式在玻璃顯微鏡載物片上進(jìn)行3D細(xì)胞培養(yǎng)的技術(shù)。一些載物片上，可以20-40納升藻酸鹽基質(zhì)的點陣形式包含高達(dá)1000個不同的細(xì)胞培養(yǎng)物。由于這些功能強大的玻片具有高疏水性表面，所以玻片上的點陣會在藻酸鹽基質(zhì)上形成半球狀的珠子，從而在3D培養(yǎng)細(xì)胞的同時，也限制了點陣中不同點之間的交流。這樣，細(xì)胞就被限制在藻酸鹽珠子上，并且通過提供的營養(yǎng)進(jìn)行生長。Dordick在他的這種3D培養(yǎng)系統(tǒng)下，已經(jīng)分別培養(yǎng)了原初的和轉(zhuǎn)化的不同的人類細(xì)胞以及動物細(xì)胞。其中原初的人類細(xì)胞系包括肝細(xì)胞、星型膠質(zhì)細(xì)胞和心肌細(xì)胞，而轉(zhuǎn)化的細(xì)胞培養(yǎng)則包括肝細(xì)胞瘤、腎癌、乳癌和星細(xì)胞瘤。
有潛力的GEM
當(dāng)然，3D細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)的應(yīng)用不僅僅局限于學(xué)術(shù)研究機構(gòu)，3D培養(yǎng)技術(shù)在制藥工業(yè)中的客戶就是很好的例子。美國弗吉利亞州夏洛特維爾市Global Cell Solutions （GSC） 公司已經(jīng)為3D細(xì)胞的培養(yǎng)發(fā)展了一種以珠子（bead）為載體的底物。這種珠子或者微載體也稱為GEM。根據(jù)該公司的總兼執(zhí)行總裁Uday Gupta，GEM結(jié)合了基于藻酸鹽和蛋白基質(zhì)骨架，具有光學(xué)背景清晰、非自發(fā)熒光的特性，而且它的直徑在75~100微米的范圍內(nèi)。很多標(biāo)準(zhǔn)的和相關(guān)的研究室細(xì)胞系都在這些珠子（beads）的表面上或核心進(jìn)行過培養(yǎng)。另外，Gupta還說：“一個很好的特征就是我們能夠用不同的蛋白——層粘連蛋白、明膠或者基底膜蛋白——對藻酸鹽進(jìn)行包裹。這個特征的重要性在于，隨著藥物發(fā)現(xiàn)領(lǐng)域已進(jìn)入干細(xì)胞時代，這些特殊的包裹，將會在藥物發(fā)現(xiàn)過程中對細(xì)胞的培養(yǎng)起極其重要的作用”。pH值和CO2等培養(yǎng)條件是由Hamilton公司的BioLevitatora儀器提供的。
據(jù)Hamilton公司產(chǎn)品Jason March稱，BioLevitator儀器與GEM技術(shù)的結(jié)合使得制藥公司在藥物篩選試驗中可以、連續(xù)的進(jìn)行大量的細(xì)胞培養(yǎng)。他還說：“技術(shù)結(jié)合的另一個特點就是我們不必再用胰蛋白酶來處理細(xì)胞——由于GEM的種種特性，實際上我們可以直接把微載體上培養(yǎng)的細(xì)胞吸取轉(zhuǎn)移到96孔板，并準(zhǔn)備直接做我們的下一步實驗，而不用浪費時間去做胰蛋白酶處理，也不會損傷細(xì)胞……”。作為選擇，研究者也可以簡單地用GCS所生產(chǎn)的裂解液來解離細(xì)胞。GEM技術(shù)自2005年就已有商業(yè)化銷售，BioLevitator也正處于beta測試中。
總的來說，3D細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)在基礎(chǔ)科學(xué)研究和制藥研究中極大地提高了細(xì)胞實驗的準(zhǔn)確性。隨著培養(yǎng)原料的數(shù)量和復(fù)雜度的增加，3D細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)的應(yīng)用也會隨之增加——作為對其使細(xì)胞“感覺更像在家里一樣”的獎勵。
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