一個國際科研團(tuán)隊最近在英國《自然》雜志上發(fā)表論文說，他們繪制出迄今最詳盡、全面的人類心臟細(xì)胞圖譜，涵蓋心臟的8個部位、75種細(xì)胞狀態(tài)。

人類一直不斷地深入對細(xì)胞的了解，同時致力于在體外培養(yǎng)細(xì)胞。但人體內(nèi)有幾十萬億的細(xì)胞，為什么還要在體外培養(yǎng)呢？

專家解釋說，當(dāng)人體內(nèi)器官或組織發(fā)生病變時，可在體外培養(yǎng)相關(guān)細(xì)胞，并輸入人體內(nèi)對病變部位進(jìn)行“修補(bǔ)”；新藥問世之前必須先在實驗室里證明其可靠性，需要用培養(yǎng)的細(xì)胞對藥物進(jìn)行檢測。

作為一項在生命科學(xué)領(lǐng)域中長期使用的技術(shù)，細(xì)胞培養(yǎng)能讓研究人員在體外研究細(xì)胞的生理和病理。然而，隨著對細(xì)胞微環(huán)境的逐漸了解，研究人員希望能在實驗室里為細(xì)胞提供與體內(nèi)環(huán)境更近似的培養(yǎng)環(huán)境，從而獲得更真實、準(zhǔn)確的實驗結(jié)果。于是，3D細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)蓬勃發(fā)展起來。

三維空間能更好模擬細(xì)胞生長的微環(huán)境

細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)即模擬體內(nèi)微環(huán)境，在無菌條件下，為細(xì)胞提供適當(dāng)?shù)臏囟取⑺釅A度以及細(xì)胞生長繁殖所需的營養(yǎng)，使其能在體外維持生長繁殖并保持其結(jié)構(gòu)、功能的技術(shù)。細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛，可以應(yīng)用在基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究、抗體制備、新藥篩選、基因工程等。

細(xì)胞增殖、分化和代謝等生理活動都會受到微環(huán)境的嚴(yán)重影響。清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院教授杜亞楠說，傳統(tǒng)的細(xì)胞培養(yǎng)方式面臨諸多困難，比如需要依賴人工一步一步將細(xì)胞“種植”在培養(yǎng)皿上，而一個傳統(tǒng)的二維平面培養(yǎng)皿所能培養(yǎng)的細(xì)胞數(shù)量從百萬到千萬個不等，但這最多只能滿足一位患者治療所需。杜亞楠認(rèn)為，傳統(tǒng)的細(xì)胞培養(yǎng)方式培養(yǎng)效率有限，這將導(dǎo)致細(xì)胞治療的效率難以提升，無法真正惠及大眾。

傳統(tǒng)細(xì)胞培養(yǎng)方式所用的材料和工具使得細(xì)胞在培養(yǎng)過程中的質(zhì)量、功能難以保持穩(wěn)定。杜亞楠說，細(xì)胞培養(yǎng)皿一般是由硬塑料制成，跟細(xì)胞原本的生長環(huán)境相差甚遠(yuǎn)。細(xì)胞和人一樣，只有給它們提供接近原生的培養(yǎng)環(huán)境，它們才能夠?qū)崿F(xiàn)快速、高質(zhì)量的繁殖。“大部分細(xì)胞的生長環(huán)境是很柔軟的，將其直接放在硬質(zhì)的培養(yǎng)皿里培養(yǎng)，存活數(shù)量、功能都有可能出現(xiàn)問題。”杜亞楠說。

浙江大學(xué)教授賀永也表示，傳統(tǒng)的細(xì)胞培養(yǎng)并不能完全呈現(xiàn)機(jī)體組織內(nèi)的微環(huán)境，所培養(yǎng)細(xì)胞的生理狀態(tài)和活性與體內(nèi)細(xì)胞并不完全一致，其結(jié)果往往與動物實驗和臨床實驗結(jié)果有出入。

3D細(xì)胞培養(yǎng)是指細(xì)胞可以在人工創(chuàng)造的三維空間結(jié)構(gòu)中遷移、生長，而三維空間能更好地模擬生物體內(nèi)細(xì)胞存活的自然微環(huán)境，可以保持細(xì)胞間相互作用以及更逼真的生化、生理反應(yīng)。

多種3D細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)不斷涌現(xiàn)

目前，3D細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)主要分為無支架和基于支架的3D細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)兩大類。

無支架的3D細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)是根據(jù)細(xì)胞易于聚集的自然特性，使細(xì)胞聚集成微球并保持三維構(gòu)型進(jìn)行培養(yǎng)，常見的有懸滴法、旋轉(zhuǎn)培養(yǎng)法和磁力懸浮法等。

由于支架在3D細(xì)胞培養(yǎng)中具有結(jié)構(gòu)剛性等優(yōu)勢，因此研究人員紛紛把目光轉(zhuǎn)向了基于支架的3D細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)，比如杜亞楠團(tuán)隊研發(fā)的3D TableTrix微載片取代了傳統(tǒng)的二維平面培養(yǎng)皿，成為細(xì)胞培養(yǎng)的新載體。該微載片可降解，不需要復(fù)雜繁瑣的人工操作便可與細(xì)胞懸液一起直接投放到智能化生物反應(yīng)器中。隨后，微載片遇水便可分散成數(shù)萬個球狀顆粒，顆粒表面上密密麻麻分布著眾多孔隙，每個孔隙都可進(jìn)行細(xì)胞培養(yǎng)，細(xì)胞培養(yǎng)數(shù)量較傳統(tǒng)方式呈指數(shù)級增長。而每個球狀顆粒的直徑均可在50到500微米之間進(jìn)行自主調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了針對不同尺寸細(xì)胞的定制化培養(yǎng)。

除微載片外，研究人員還引入了基于水凝膠的培養(yǎng)基質(zhì)系統(tǒng)。水凝膠是一種有效的3D細(xì)胞培養(yǎng)基質(zhì)，由天然或合成蛋白質(zhì)分子網(wǎng)絡(luò)等組成，由于存在大量的水，水凝膠的生物物理特性與天然組織的生物物理特性非常相似，能為細(xì)胞生長提供良好的環(huán)境。

賀永說，3D細(xì)胞培養(yǎng)還面臨一些困難和挑戰(zhàn)，比如標(biāo)準(zhǔn)化，標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)備和操作程序使不同研究人員生成的數(shù)據(jù)具有可比性。但目前，不同實驗室建立的3D細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)的培養(yǎng)設(shè)備和樣品缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，實驗數(shù)據(jù)難以對比。因此，建立模塊化培養(yǎng)系統(tǒng)、簡化培養(yǎng)操作、降低培養(yǎng)成本是實現(xiàn)3D細(xì)胞培養(yǎng)需要解決的問題。