3D細胞培養技術為細胞提供一個更加接近體內生存條件的微環境，感覺就像“在家里一樣”。該技術不僅僅應用于基于細胞的高通量藥物篩選，還可以應用于醫學中。
3D細胞培養，細胞生長更接近體內環境——感覺像“在家里一樣”。因此，研究者通過3D培養技術從高通量篩選、毒物篩選及其它篩選中來獲得接近體內真實情況的數據。
很難想象，在細胞培養技術還不存在的二十世紀早期，要完成一個以細胞為基礎的實驗會是一個什么的情況。如果沒有傳統細胞培養技術（在合成樹脂的表面上2D條件下培養細胞）的廣泛運用，臨床研究者和學術研究者都可能得不到足夠的細胞實驗材料。但是，盡管傳統細胞培養技術有著很好的用途，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，傳統細胞培養技術在模擬細胞體內生存環境方面做得還不夠。3D細胞培養技術的發明就是為了在細胞培養過程中，為細胞提供一個更加接近體內生存條件的微環境。這篇文章接下來就會詳細介紹3D細胞培養技術的實例及其運用。
3D追隨者
美國俄亥俄州立大學的化學與生物分子工程學教授，Shang-Tian Yang博士已經使用3D細胞培養技術來培養包括人胚胎干細胞和結腸癌細胞在內的許多不同類型的人源細胞。他用來在體外模擬體內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細胞培養技術的一個主要原因就是3D培養得到的細胞形態比2D培養的更加，并且細胞形態常常對細胞的功能（信號轉導等）產生影響。Yang已經開始通過他的3D細胞培養系統來篩選抗癌藥物。但是他也通過比較2D培養和3D培養的細胞對已知的抗結腸癌藥物——5-氟尿嘧啶——的反應來檢驗他的3D培養系統的有效性。Yang說：“總的來講，3D培養的細胞對藥物的抗性更強，其部分原因在于細胞周期行為的差異，差異的細胞標記表達等等”。從這些實驗中，他推斷：一般來講，3D培養細胞的藥物反應更加接近體內的情況，因此，在此基礎上的藥物篩選也更加可靠。
倫斯勒理工學院（RPI）生物技術與跨學科研究中心的主任兼教授Jonathan Dordick博士用3D細胞培養作為先導優化的一種篩選工具，并將其用來對培養皿上代表人類不同器官的細胞進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上進行細胞培養。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節它的凝膠化。而且，藻酸鹽的使用使Dordick向培養基中添加生長因子成為可能；比如，在他的小組開始培養干細胞的時候，這個特征就顯得很重要了。
下面的一個微流控技術的實例中，Dordick和他在加利福尼亞大學的合作者Douglas Clark，發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行3D細胞培養的技術。一些載物片上，可以20-40納升藻酸鹽基質的點陣形式包含高達1000個不同的細胞培養物。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上形成半球狀的珠子，從而在3D培養細胞的同時，也限制了點陣中不同點之間的交流。這樣，細胞就被限制在藻酸鹽珠子上，并且通過提供的營養進行生長。Dordick在他的這種3D培養系統下，已經分別培養了原初的和轉化的不同的人類細胞以及動物細胞。其中原初的人類細胞系包括肝細胞、星型膠質細胞和心肌細胞，而轉化的細胞培養則包括肝細胞瘤、腎癌、乳癌和星細胞瘤。
有潛力的GEM
當然，3D細胞培養技術的應用不僅僅局限于學術研究機構，3D培養技術在制藥工業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） 公司已經為3D細胞的培養發展了一種以珠子（bead）為載體的底物。這種珠子或者微載體也稱為GEM。根據該公司的總兼執行總裁Uday Gupta，GEM結合了基于藻酸鹽和蛋白基質骨架，具有光學背景清晰、非自發熒光的特性，而且它的直徑在75~100微米的范圍內。很多標準的和相關的研究室細胞系都在這些珠子（beads）的表面上或核心進行過培養。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——對藻酸鹽進行包裹。這個特征的重要性在于，隨著藥物發現領域已進入干細胞時代，這些特殊的包裹，將會在藥物發現過程中對細胞的培養起極其重要的作用”。pH值和CO2等培養條件是由Hamilton公司的BioLevitatora儀器提供的。
據Hamilton公司產品Jason March稱，BioLevitator儀器與GEM技術的結合使得制藥公司在藥物篩選試驗中可以、連續的進行大量的細胞培養。他還說：“技術結合的另一個特點就是我們不必再用胰蛋白酶來處理細胞——由于GEM的種種特性，實際上我們可以直接把微載體上培養的細胞吸取轉移到96孔板，并準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，也不會損傷細胞……”。作為選擇，研究者也可以簡單地用GCS所生產的裂解液來解離細胞。GEM技術自2005年就已有商業化銷售，BioLevitator也正處于beta測試中。
總的來說，3D細胞培養技術在基礎科學研究和制藥研究中極大地提高了細胞實驗的準確性。隨著培養原料的數量和復雜度的增加，3D細胞培養技術的應用也會隨之增加——作為對其使細胞“感覺更像在家里一樣”的獎勵。
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