体外细胞培养是研究细胞功能、了解**和发现新药的重要工具。这些实验中的大部分是在组织培养处理过的塑料器皿中进行2D单层细胞培养。然而，这与活细胞的体内环境看起来完全不同。细胞嵌入由其他细胞和结构组成的组织中，称为细胞外基质（ECM；图1A）。细胞对细胞和细胞对ECM的相互作用以及这些组织内的机械力对细胞形态和行为有着至关重要的影响。此外，活体组织中的营养物质、代谢产物、氧气和CO2暴露于3D细胞结构（例如肿瘤）与2D单层中有非常大的区别的（图1B和1C）。
图1A：活体组织中具有细胞间接触和细胞间ECM接触的细胞示意图。
图1B：3D肿瘤球体的示意图，外部为增殖细胞，内部为坏死细胞，中间为静止细胞。外部的氧气和营养物质浓度很高，而内部的二氧化碳和代谢废物含量很高。
图1C：使用ibidi泵系统灌注培养14天后，L929球体在µ-Slide Spheroid Perfusion, Bioinert中的活/死FDA/PI染色，0.75 ml/min。绿色：活细胞（荧光素二乙酸酯，FDA）；红色：死细胞（碘化丙啶，PI）。宽场荧光显微镜，10倍物镜。
研究人员在建立细胞培养模型以研究细胞功能、特定**(如癌症)或表征某些**之前，必须考虑这些因素。为了获得*接近体内的实验结果，尽可能地模拟活体组织的生理条件也是有意义的。
在本文中，我们引入了不同的三维细胞培养模型来研究细胞在体内的状态。
从单层细胞到组织：
虽然细胞仍然主要是在细胞培养处理过的塑料表面或包被蛋白质或厚细胞基质(2.5D培养)的2D单层中培养，但当你想用更生理的方式培养细胞时，你可以选择各种3D细胞培养模型(图2)。可以使用基于支架的技术，如聚合物或水凝胶，它们通过合成化学聚合物或蛋白质网络提供结构支持。或者，可以使用无支架技术获得3D细胞结构，其中复杂的细胞聚集体或整个组织可以在没有额外结构支持的情况下形成。
图2: 2D和3D细胞培养模型概述
这两种方法各有利弊，在决定哪种技术*适合各自的研究问题时，应考虑这些利弊。支架方法考虑了细胞与ECM的相互作用，而悬浮生长的球体可以更好地控制细胞的环境。
为了在显微镜上进行3D结构的长期培养和研究，已经开发了特殊的工具和技术，以确保在长时间内持续提供介质并模拟生理条件。
基于支架的3D细胞培养模型：
3D细胞培养模型的支架可以从多孔聚合物膜到模拟ECM细胞微环境的复杂水凝胶。
一般来说，水凝胶形成交联聚合物的结构，可以吸收和结合大量的水。在4°C或室温下，混合物为液体，但在37°C时会形成凝胶。这一特性使得液体与细胞混合成为可能，然后在37°孵育时将细胞嵌入3D基质中。这使得细胞能够保留特定的体内特征，例如细胞ECM相互作用或环境的生理和机械特性。
有不同类型的水凝胶，如Matrigel®或胶原蛋白，它们源自有机来源。也有复杂的合成水凝胶，其优势是能对其成分（分子、交联剂等）进行**的控制。这使其能对各个组成部分的影响得出不同的结论。
无支架3D细胞培养模型：
支架独立方法允许在没有基质支持的情况下在3D中培养细胞。它们依赖于细胞自组装成聚集体或球状体的概率。为了促进这种自组装过程，人们建立了各种各样的技术。
图 3：在µ-Slide 4 Well中培养的纤维蛋白水凝胶中出牙的人肠成纤维细胞和内皮细胞球状体。内皮细胞用CD31染色(黄色)，成纤维细胞用波形蛋白染色(红色)，DNA用DAPI染色(青色)。共焦图像由H. Nogueira Pinto，生物工程3D微环境组，Instituto de Investigação e Inovação em Saúde (i3S), Universidade do Porto, Portugal。
悬滴技术
悬滴技术是生物学中行之有效的方法，已用于许多不同的应用，如观察整个(微观)生物体或蛋白质的结晶。它利用重力形成悬浮液滴，悬挂在玻璃板上。在过去的十年中，这项技术已经被改进并适用于3D细胞培养的应用，能够从细胞悬浮液中形成球状体，而无需支撑支架(图4)。如今，专门的悬滴板已在市场上销售。然而，虽然这种方法适用于球状体的生成，但不可能将其与高分辨率显微镜相结合。
图 4：悬滴法原理
超低吸附 (ULA) 涂层
所谓的低粘附板是涂有中性电荷或亲水性蛋白质或水凝胶，可减少细胞对板表面的附着，从而形成 3D细胞结构。尽管这种涂层主要防止细胞附着，但在更长的时间后，细胞粘附仍可能发生，因为涂层通常只是物理吸附而非共价结合——因此不具有长期稳定性。
生物惰性表面
与标准的ULA涂层相比，生物惰性表面是共价结合的，并提供稳定的表面钝化。因此，它可以完全防止蛋白质或细胞附着在涂层表面。这促进了细胞间的相互作用和3D细胞聚集的形成，即使是在长期实验中(图5)。
图5: ibidi聚合物盖玻片生物惰性表面的球状体形成
微图案表面微孔板
在Bioinert表面上压印微图案可以使细胞**粘附在指定位置（图6）。
图6：微图案点上的细胞附着动态图
µ-patterned图案处周围的钝化区域有助于形成3D细胞聚集体和球状体（图7和8）。
图7：微图案点上球体形成的原理
图8：接种在200 µm粘附点上的NIH-3T3细胞系悬浮液，64小时活细胞成像，相差，4x 物镜。
具有特殊几何形状的微孔板、微流控器官芯片和用于长期3D细胞培养的设备
为了体外细胞培养尽可能接近体内条件，与灌注设备相结合的微流控器官芯片检测变得越来越重要。在这种应用中，细胞被嵌入到微通道中的基质中。这些通道可以灌注培养基或**，用于在流动或**筛选下进行长期细胞培养（图9和10）。
具有特殊几何形状的微孔板允许进行特定的基于3D细胞的测定（如：伤口**或趋化性测定）或模拟不同的器官（如：肺或肝）。
图9：ibidi µ-Slide Spheroid Perfusion球体灌注的工作原理，它可连接到泵系统（如ibidi泵系统），用于长期培养球状体
图 10：L929 成纤维细胞在 µ-Slide Spheroid Perfusion, Bioinert球体灌注中显示球状体形成，，第1-14天，接种浓度5 x 105个单细胞/ml。左图：无灌注，每隔**更换一次培养基。右图：使用 ibidi 泵系统灌注，0.75 毫升/分钟。相差显微镜，10 倍物镜，孔径 800 µm。
总之，通过从2D细胞单层到3D细胞培养，已经在模拟活体组织的生理条件方面取得了巨大的进展。这可以更好地读取基于细胞的分析、**模型和**效应，从而使细胞培养总体上更准确，成为动物模型的更好替代品。
ibidi开发用于3D细胞模型分析的产品
有关球体、类器官和3D细胞培养的更多信息，请查看：ibidi 3D细胞(球状体、类器官和单细胞)培养（←点击即可查看）。
参考文献：
Kim W, Gwon Y, Park S, Kim H, Kim J. Therapeutic strategies of three-dimensional stem cell spheroids and organoids for tissue repair and regeneration. Bioact Mater. 2022 Apr 4;19:50-74. doi: 10.1016/j.bioactmat.2022.03.039.
Krysko DV, Demuynck R, Efimova I, Naessens F, Krysko O, Catanzaro E. In Vitro Veritas: From 2D Cultures to Organ-on-a-Chip Models to Study Immunogenic Cell Death in the Tumor Microenvironment. Cells. 2022 Nov 21;11(22):3705. doi: 10.3390/cells11223705.
Langhans SA. Three-Dimensional in Vitro Cell Culture Models in Drug Discovery and Drug Repositioning. Front Pharmacol. 2018 Jan 23;9:6. doi: 10.3389/fphar.2018.00006.
Clevers H. Modeling Development and Disease with Organoids. Cell. 2016 Jun 16;165(7):1586-1597. doi: 10.1016/j.cell.2016.05.082.
