在細胞和組織培養領域，從上世紀70年代起二維（2D）培養科學家已經看到其局限性，并且更多地關注三維（3D）培養的優點，目前越來越多的研究從細胞培養的平面環境中轉變到三維培養。當前，雖然對基于細胞的效應研究和毒性測試中，制藥工業如今常用的依舊是2D方式，3D培養技術已在學術研究中被廣泛應用。細胞增殖，分化和代謝等生理活動都嚴重受到微環境的影響。

當前細胞生物學研究大多還是在二維平面培養進行，這種平面培養、生長方式與機體內立體環境差別很大，導致細胞形態、分化、細胞與基質間的相互作用以及細胞與細胞間的相互作用與體內生理條件下細胞的行為存在明顯差異。

2D和3D環境下培養的細胞相比較，諸多生理指標都顯著不同，例如原代小鼠乳腺管腔上皮細胞(mammaryluminal epithelial cells, MEC)在3D基底膜基質中增殖的時間明顯長于2D培養環境；更有甚者，有時藥物作用于2D培養的細胞呈現的效應與3D細胞相反。

3D培養可以設計模擬體內的生理環境，讓細胞在生理行為上與機體實際的生理環境更接近。隨著在生物相關性，通量，產出量等方面的改進，伴隨3D培養成本的降低，3D培養在再生醫學，基礎研究和藥物研發中的應用將越來越廣泛，一場細胞由2D培養走向3D的變革正在發生。

3D細胞培養-支架三維培養模式

當前市場上有多種類型的3D培養系統，根據產品是否為細胞提供支撐（支架）材料（scaffold）大體可分為兩種類型：基于支架（scaffold）的培養體系和無scaffold的培養體系。今天來介紹一下有支架的三維培養體系。

一、根據支持物的性質分類，基于scaffold的培養體系可分為天然細胞外基質（Extracellular matrix，ECM）作為支持材料的3D培養和人造基質作為支持材料的3D培養。

1. 天然ECM作為支持材料的3D培養
這種方法以天然ECM作為支持材料，根據培養細胞類型，優化3D培養基質配方，以滿足不同組織細胞的培養需求。很多公司都可提供細胞外基質產品用于3D培養，例如TAP Biosystems（已被Sartorius Stedim Biotech收購）的RAFT膠原系統，Matrigel模擬基底膜基質產品；Advanced BioMatrix，Amsbio和Sigma-Aldrich公司也都有細胞外基質凝膠產品。但天然基質材料存在一定病原風險，且材料可能存在批次差別性等缺點。

2. 人造基質作為支持材料的3D培養方法

合成的人造基質材料類型相當多，例如Cellendes的3D Life仿生水凝膠材料；3D Biotek公司有多種3D大分子支架材料；Reinnervate公司Alvetex產品用的是聚苯乙烯(polystyrene scaffold)；Life Tech公司的AlgiMatrix 3D培養系統采用褐藻原料；Synthecon和Xanofi的納米纖維技術平臺XanoMatrix采用合成納米生物基質和培養材料；PuraMatrix采用合成肽水凝膠；其它合成材料產品還包括Lena Biosciences的SeedEZ等。

Cellendes的3D Life仿生水凝膠材料可以說是合成的人造基質材料的優秀代表。Cellendes的3D Life仿生水凝膠通過合成大分子材料和交聯劑(crosslinker)方式和比例的靈活組合，構建不同的3D細胞培養環境。這種高化學和機械柔性（flexibility）的合成系統賦予了該材料較動物源性支持材料更多的優勢。諸多優點使3D Life仿生水凝膠不但是普通3D培養的上佳選項，也使其成為細胞擴散和遷移研究的理想產品。

下文對Cellendes的3D Life Biomimetic Hydrogel System做一簡單介紹：

3D 仿生水凝膠系統是一套用于3D細胞培養時構建細胞外基質組分的試劑

使用者可以選擇不同polymer和crosslinker組合，構成不同的3D細胞培養

注： 藍色：Polymer 綠色：linker 紅色：RGD肽

1. polymer 的選擇，決定了是否可人為的回收細胞；

2. rosslinker的選擇決定了細胞是否能夠降解局部水凝膠來為自己創造移動空間；

3. 加RGD多肽可以為細胞提供可粘附的細胞外環境，這也是絕大多數細胞擴散和遷移的先決條件。

3D仿生水凝膠優勢及應用

1.Life水凝膠系統與活體細胞外基質相似，采用該系統可使體外細胞培養更接近體內的生理特征，是基礎研究、藥物篩選和再生醫學等領域細胞功能研究的理想選擇。

2.產品組合靈活，操作簡單，控制自如。

3.對細胞無任何毒害，選擇可降解材料，可以輕松回收細胞。

4.應用廣泛：可用于細胞培養、標記和顯微觀察等諸多方面；細胞可在凝膠內也可在凝膠表面培養；可活細胞直接觀察也可選擇原位固定后觀察；支持GFP等多種報告基因標記后觀察方式；可選擇不同類型細胞共培養，更好模擬體內生理狀態。

3D life水凝膠中細胞的固定與標記

使用小分子物質，例如熒光標記phalloidin，核酸染料，活性和毒性檢測試劑，增值檢測試劑等小分子物質進行細胞標記方法，除了在孵育時間上適度延長以便能在水凝膠中充分擴散外，與傳統的2D細胞培養方式相同。所培養的細胞如果經基因修飾還有熒光蛋白，則可直接用于觀測，因凝膠*透明不影響觀測結果。

如果使用抗體等大分子對細胞進行標記則不能直接在水凝膠中開展，因水凝膠的孔徑原因，不適合直接抗體標記，需要使用dextranase將細胞從水凝膠中釋放出來，如果擔心細胞在操作過程中細胞生理活動波動，則可經在凝膠中將細胞固定后在進行操作。

二、如果按支持材料形成的方式分，基于scaffold的培養體系可分為如下兩類，一種是將細胞分散在液體水凝膠中，然后通過交聯實現3D培養，這類產品代表生產商包括Cellendes, Matrigel, Glycosan Biosystems和QGel等；另外一種是將細胞“播種"在3D基質上，這類方法的代表廠商包括3D Biotek, Alvetex和AlgiMatrix等。第一種方式中的Cellendes產品上面已經做了簡要介紹；下面將細胞“播種"在3D基質方法的代表產品3D Biotek給予簡要介紹：

3D Biotek得益于其精妙的3D微細加工技術和*的生物制造工藝，產品在干細胞/組織工程、藥物研發和細胞生物應用等涉及3D培養的領域較好。

根據用戶的不同需求，3D Biotek提供系列的產品和裝置，包括多種3D細胞培養的支架材料：例如可生物降解的聚已內酯3D Insert PCL，這種材料已經被美國標準和技術協會(NIST)認定為標準的3D組織培養支架材料；聚苯乙烯3D Insert PS材料。

3D Biotek開發有的可直接用于如細胞凋亡和熒光ELISA等熒光和化學發光實驗的新材料培養板。

3D Biotek還提供可降解生物材料Poly(DL-lactide-co-glycolide) (PDLLGA)。

3D Biotek有用于3D腫瘤細胞或干細胞培養(或共培養)的仿生基底膜：3D Insert-PS/PCL (聚苯乙烯/聚已內酯)納米篩網。

高效將質粒轉染入3D培養的細胞的3D轉染試劑盒(BioCellChallenge, SAS)。

多種3D Biotek專L技術制造多孔聚合物支架材料填充的3D生物發生器（3D Bioreactor），即包括可生物降解聚合物(polystyrene, PS)也包括不能生物降解聚合物(polycaprolactone, PCL)類型。

各種預填充了孔狀3D Insert™支架材料的塑料裝置，如3D Insert™PS (聚苯乙烯)支架，3D Insert™PCL (聚已內酯)支架，3DKUBE™等。

用于骨組織工程中常用的可*吸收的生物陶瓷材料B-TCP盤(Disc)，用于骨質疏松癥，骨基質礦化，組織鈣化和骨修復等各種骨相關研究的HA盤(Disc)等。

選用3D Biotek產品能獲得高的細胞培養效率；增加細胞因子、抗體和其它生物分子的產出量，且生成的細胞因子、抗體等易于分離；減少動物實驗，體外研究即可獲高預測性資料，在開發新藥中降低成本和時間，縮短進入市場的時間等優點。

三維細胞培養的缺點與局限

三維細胞培養對藥物研發和毒性測試意義重大，但當期也有一些問題尚待解決。總體上說，材料科學與生物學的結合使當前3D培養方式越來越多樣化，用戶的選擇空間很大，可在比較中找到適合自己的方法。眾多的3D培養方法重點關注如何讓3D體系更加接近人體實際環境，而對藥物研發企業，他們除了模擬實際環境，還要求高效、自動化，使用成本大大降低。