在生命科學(xué)研究的廣袤領(lǐng)域中，二維細(xì)胞培養(yǎng)長期以來占據(jù)著主導(dǎo)地位。然而，隨著對細(xì)胞復(fù)雜行為和生理環(huán)境認(rèn)知的不斷深入，二維培養(yǎng)模型的局限性逐漸凸顯，三維細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，為細(xì)胞生物學(xué)、組織工程、藥物研發(fā)等諸多領(lǐng)域帶來了全新的研究視角與突破契機(jī)。
 

　　傳統(tǒng)的二維細(xì)胞培養(yǎng)是在平坦的培養(yǎng)皿表面，使細(xì)胞單層生長。這種方式操作簡便，成本較低，便于觀察細(xì)胞形態(tài)、增殖等基本特性，在過去幾十年里助力科學(xué)家取得了眾多重要成果。但人體內(nèi)部的細(xì)胞并非孤立存在于平面之上，而是處于一個復(fù)雜的三維微環(huán)境中。周圍有其他細(xì)胞、細(xì)胞外基質(zhì)以及各種信號分子，它們相互交織，共同調(diào)控細(xì)胞的命運(yùn)與功能。在二維環(huán)境下，細(xì)胞失去了這種真實(shí)的空間結(jié)構(gòu)信息，其形態(tài)、極性、基因表達(dá)譜以及細(xì)胞間相互作用都發(fā)生了改變。例如，腫瘤細(xì)胞在二維培養(yǎng)中可能呈現(xiàn)出與體內(nèi)截然不同的藥物敏感性，導(dǎo)致許多在體外實(shí)驗(yàn)有效的藥物在臨床試驗(yàn)中折戟沉沙。
 

　　三維細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)則致力于模擬體內(nèi)細(xì)胞的生長環(huán)境。它通過使用各種支架材料或無支架技術(shù)，構(gòu)建出具有三維結(jié)構(gòu)的細(xì)胞培養(yǎng)體系。支架材料如膠原蛋白、明膠、聚乳酸 -共 -乙醇酸(PLGA)等，能夠提供物理支撐，引導(dǎo)細(xì)胞按照特定的三維架構(gòu)生長。這些支架具有多孔結(jié)構(gòu)，不僅有利于營養(yǎng)物質(zhì)和氧氣的擴(kuò)散，還為細(xì)胞附著、遷移和分化創(chuàng)造了條件。以軟骨組織工程為例，將軟骨細(xì)胞接種于合適的三維支架上，細(xì)胞能夠在其中分泌大量的細(xì)胞外基質(zhì)，形成類似于天然軟骨組織的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，為修復(fù)受損軟骨提供了解決方案。
 

　　無支架三維培養(yǎng)技術(shù)也備受關(guān)注，如懸滴法、微球法等。懸滴法是將含有細(xì)胞的培養(yǎng)液滴懸掛在特殊處理的表面，利用液體表面張力使其形成球形，細(xì)胞在球內(nèi)自然聚集并相互作用，形成三維細(xì)胞團(tuán)。這種方法無需額外的支架材料，減少了材料對細(xì)胞行為的干擾，能更純粹地研究細(xì)胞自身的三維組裝能力。微球法則是通過乳化等手段制備微小的球形顆粒，將細(xì)胞包裹其中，細(xì)胞在微球內(nèi)部生長并逐漸形成三維組織結(jié)構(gòu)。這些無支架技術(shù)在研究胚胎發(fā)育早期細(xì)胞的自組織現(xiàn)象以及某些干細(xì)胞的分化潛能方面發(fā)揮了特殊作用。

 

　　在癌癥研究領(lǐng)域，三維細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)更是展現(xiàn)出巨大優(yōu)勢。腫瘤組織是一個高度異質(zhì)性的三維結(jié)構(gòu)，包含癌細(xì)胞、癌相關(guān)成纖維細(xì)胞、免疫細(xì)胞以及豐富的血管網(wǎng)絡(luò)。利用三維培養(yǎng)模型，可以更好地重現(xiàn)腫瘤微環(huán)境，研究癌細(xì)胞的侵襲轉(zhuǎn)移機(jī)制。例如，在三維培養(yǎng)的腫瘤球模型中，觀察到癌細(xì)胞從腫瘤球體向外侵襲的過程，涉及到細(xì)胞與細(xì)胞外基質(zhì)的降解、細(xì)胞的變形遷移等一系列復(fù)雜步驟，這與體內(nèi)腫瘤轉(zhuǎn)移過程更為相似。通過對該過程的研究，有助于發(fā)現(xiàn)新的抗腫瘤治療靶點(diǎn)，篩選更有效的抗癌藥物。同時，三維培養(yǎng)模型還能用于研究腫瘤細(xì)胞與免疫細(xì)胞之間的相互作用，探索免疫療法的新策略。
 

　　對于干細(xì)胞研究而言，三維培養(yǎng)系統(tǒng)為其維持干性、誘導(dǎo)定向分化提供了理想的平臺。干細(xì)胞在體內(nèi)的特定三維微環(huán)境中保持未分化狀態(tài)，并在需要時分化為多種功能細(xì)胞。在三維培養(yǎng)條件下，干細(xì)胞能夠接收到更接近體內(nèi)真實(shí)情況的信號刺激，從而更準(zhǔn)確地調(diào)控其自我更新和分化命運(yùn)。比如，間充質(zhì)干細(xì)胞在三維支架中培養(yǎng)時，相較于二維培養(yǎng)，更能有效地向骨細(xì)胞、脂肪細(xì)胞等多種細(xì)胞類型分化，這對于再生醫(yī)學(xué)中組織器官的修復(fù)與重建具有重要意義。