細胞培養包括在人造環境中培養細胞，以研究它們對環境的反應。現在可以發現不同種類的細胞培養物，并且根據其性質和應用，一些細胞培養物可能比其他培養物更適合。

3D細胞培養可以被描述為微組裝設備中的活細胞培養，并且支持呈現出模擬組織和器官特異性微結構的三維結構。

1.二維VS三維細胞培養方法

SEM 2D細胞培養圖像

過去幾十年傳統上使用2D細胞培養物不僅在體外研究不同的細胞類型，而且進行藥物篩選和測試。典型地，這種單層系統允許細胞在聚酯或玻璃平坦表面上生長, 呈現供給正在生長的細胞群體的培養基。然而，由于其簡單性，這種模型不能準確描繪和模擬在體內觀察到的豐富的環境和復雜的過程，如細胞信號傳導，化學或幾何。所以，采用二維細胞培養方法收集的數據可能是誤導性的，并且在體內應用中無法預測。這就是為什么科學家最近一直在研究三維仿生細胞培養的原因，這種技術更精確地代表細胞能在體內繁殖的實際微環境。

由3D細胞培養產生的新生視網膜

正如您可能已經意識到的那樣，3D細胞培養存在不同類型，每種培養都提供不同的優點和缺點。與2D細胞培養不同，3D細胞培養通過使用微結構和復雜的環境參數促進細胞分化和組織。事實上，在3D環境中，與在2D環境下生長的細胞相比，細胞往往更容易受到形態和生理變化的影響。這主要可以通過結構化作用和指導細胞行為的腳手架的影響來解釋。研究人員發現，這種細胞支持的幾何和組成不僅可以影響基因表達 還可以增強細胞間通訊。例如，一些促進細胞增殖的基因在3D細胞培養中受到抑制，從而避免了2D細胞培養中遇到的無序增殖。

3D細胞培養也賦予兩種不同細胞群同時生長的可能性，這種細胞群能夠準確地再現組織內觀察到的細胞功能，這不同于基于二維細胞培養的共培養。目標細胞與其他細胞之間存在的相互作用顯然是細胞功能的關鍵因素。這就是為什么研究專注于在癌癥中發揮重要作用的基質細胞（器官結締細胞組織）的原因。最后，使用3D細胞培養可以更容易地控制和監測生長細胞微環境參數 （溫度，化學梯度，氧氣速率，pH等）在一定程度上保持盡可能接近現實，這要歸功于微觀工程（微流控技術）。

必須記住，三維細胞培養是一項相對較新的技術，研究人員尚未充分掌握其潛在的現象和影響。不幸的是，這種培養方法存在一些明顯的缺點。首先，一些支架基質摻入了可能干擾細胞培養的來自動物或其他不需要的來源（病毒，可溶性因子）的化合物。其他一些基質提供良好的細胞粘附，使細胞清除更加困難。除此之外，雖然3D細胞培養可能是一種節省成本的技術，可能會跳過藥物試驗中的動物藥物測試步驟，但開發自動化和可重復的應用仍然是一個非常昂貴和細致的過程。

與2D單層細胞培養不同，3D細胞培養是模擬體內細胞行為和組織（形態學和生理學）的更令人滿意的模型。裝配多層3D細胞結構只能通過使用支架來實現，所述支架是微觀組織的細胞支持物，其極大地影響細胞分化和增殖。由于其新穎性，這種技術并不完全理解，因此不容易處理。最后，為改善3D細胞培養所進行的應用開發可能是昂貴的。

2. 3D細胞培養應用

用于組織工程的3D細胞培養

  對于一般或個別患者的使用，三維細胞培養近來已成為組織工程領域的重大突破。事實上，組織再生和重建可能已經極大地益于三維細胞培養，提供解決組織修復的替代方法。

事實上，不使用生物材料，可以在3D培養中使用微結構纖維支架產生人體組織（例如用于皮膚重建的上皮 - 真皮層）。不幸的是，價格可能相當昂貴，并且在某些國家對這種應用的監管尚未明確。

盡管如此，3D培養仍然是進行干細胞和細胞分化研究的可靠方法。了解復雜的機制，如成骨細胞如何轉變成骨細胞現在是可能的和可重復的。在這種情況下，成骨可以通過表達膠原蛋白I標記除其他干細胞被觸發（CBFA-1，堿性磷酸酶，骨粘連蛋白，骨橋蛋白和JNK2）。因此，獲得所需特性的細胞可以注射到骨損傷部位，以重建受損組織。

微流體3D細胞培養：器官 芯片

隨著允許精確微環境參數控制（微流體）的微流控技術的發展，通過使用促進組織操縱和研究的生物相容性微流控芯片來創建長期和受控的3D細胞培養模型。那些芯片上的器官是仿生系統， 通過模仿器官的微觀結構，動態力學性質和生化功能來復制活體器官的關鍵功能。器官芯片通過改進現有方法并帶來新的可能性改變了3D細胞培養的方式：

為了更好地復制活體組織和功能，在芯片微通道內建立了由膠原或聚合物基膜制成的微結構。與傳統的三維細胞培養不同，這些結構實際上可以重建體內觀察到的功能。例如，人類呼吸肺上片是肺泡 - 毛細血管的模型。它集成了一個柔軟的聚合物膜，可以像活人肺中一樣運動。

由于微流體使器官芯片能夠在不同的尺度上進行精確的流量控制，以“灌溉”細胞培養物，因此可以在微通道中操作少量流體。因此，有可能通過將細胞所需的營養物質和其他元素制成時空梯度。

器官芯片也可以促進創建一個區域化的微流體系統，受控共培養和重建  組織界面。因此，許多疾病模型可以發展：例如，在惡性乳腺癌和腦腫瘤的情況下不同組織類型之間的通信，或當成為侵入性癌癥時乳腺癌細胞的行為。

這項新技術非常適合挑剔和復雜的三維細胞培養要求。事實上，它有助于仿真組織界面，模擬器官功能，同時徹底監測和調節微環境（化學信號，流體流動，機械現象）。承載三維細胞培養，微通道與穿孔流體混合的孔連接。這些通路由微流體輸出設備（流量測量和控制系統）精確控制，以調節微環境中的流量。

通過使用微流控芯片，微通道內的受控細胞生長受到具有足夠機械，化學和表面特性的合適支撐。由于節省時間的仿生模型，藥物開發研究很容易進行，以研究器官尺度或系統尺度（多個器官 - 芯片）上的人類生理反應。

使用3D細胞培養進行藥物測試

通常使用動物模型進行藥物發現研究超過30年]。起初，這種做法在制藥行業是一項可管理的日常任務。然而，隨著時間的推移，藥物分子越多，高通量藥物篩選就越昂貴，進行這些試驗所需的時間也就越長。伴隨著這種現象，引發了關于動物藥物測試的道德爭議，甚至沒有很好地將其轉化為人類應用。從那以后，3D培養已經在一定程度上解決了這些問題，提供的藥物反應非常類似于2D或動物細胞培養中體內發生的情況。

因此，3D細胞培養也可以被描述為藥物篩選的一種節約成本/節省時間的培養技術，因為它能在降低藥物試驗時間的同時使其更精確或有針對性。例如，使用微工程應用（器官芯片），癌癥治療正在變得越來越好，通過更精確地針對特定的細胞類型，確定的生物機制，精確的受體等來提高益處 - 風險平衡。不幸的是，仍然有太多的藥物測試由于無進展生存而繼續失敗。事實上，雖然更接近于體內 ，三維細胞培養產生的組織和真正的自然組織之間仍然存在差距。

細胞在三維環境中自然生長，成熟和分化。使用3D培養是體外復制這一過程的準確方法。這就是為什么科學家們一直在研究多種細胞類型的原因，包括干細胞，自體細胞，同種異體細胞，異種細胞，祖細胞和多潛能細胞。與2D單層細胞培養不同，3D細胞培養模型幾乎可以完美模擬體內細胞的行為和組織（形態學和生理學）。通過使用支架或無支架方法可以組裝多層3D細胞結構。 無論是否使用支架，由于細胞連接和可溶性因素，通過直接和間接的相互作用，構成球狀體的所得細胞可以在它們自身與基質/支持物之間相互作用。 如今，許多應用如組織工程來源于3D細胞培養，這也有助于通過微流控器官芯片的藥物測試的改進。 盡管如此，3D細胞培養科學家們仍然試圖克服困難。