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細胞的立體冒險：為什麼3D培養比2D更真實？
在生物醫學研究的領域中，3D細胞培養已經成為了一種革命性的技術，以其模擬體內環境的能力而廣受推崇。傳統的2D細胞培養，如在培養皿中進行的單層培養，無法真實再現細胞在自然環境中的真實行為。相比之下，3D細胞培養提供了一個可以更好地展示細胞之間以及細胞與基質相互作用的立體平台，這種環境讓細胞能在三維空間內進行生長和移動，令人驚嘆。
「3D細胞培養，通過模擬體內環境的關鍵方面，為實驗室中正常組織或腫瘤的結構架構和專門功能提供真實的重建。」
這一技術的背景可追溯至20世紀初，當時科學家Alexis Carrel首次努力實現長期的體外組織培養。而在1980年代，Mina Bissell的研究則突顯了3D技術對創建準確體外培養模型的重要性。其研究強調了細胞外基質在正常和癌性乳腺組織模型中產生生理相關的多細胞結構的重要性。
3D細胞培養的特性
在生物體內，細胞生活在三維微環境中，存在著複雜的細胞間和細胞與基質之間的互動，以及物質運輸動態。因此，標準的2D細胞培養並不足以真實反映這一環境，從而使其成為在體外藥物有效性和毒性預測中的不可靠選擇。3D類球體更能近似於體內組織，在細胞通信和細胞外基質的構建上有更好的表現。
「具有增加的接觸空間，3D細胞增長提供了更多的機械刺激和細胞粘附的必要性。」
與2D環境中的細胞相比，3D培養的細胞在基因表達上展現出了不同的表現。這種立體結構為正常的溶質擴散和與特效蛋白的結合創建了至關重要的組織範圍濃度梯度。在藥物毒理學篩選中，3D培養的基因表達結果更能相似於在體內的情況。
3D培養方法的分類
商業上有大量的培養工具可用於提供3D細胞培養的優勢，而根據使用的技術，這些培養方法一般可分為兩類：有支架技術和無支架技術。
有支架技術
有支架技術涉及使用固體支架、凝膠及其他材料。例如，研究人員使用agarose凝膠生成體外3D模型來探索人CD34+幹細胞的潛力。支架的有效性受多種因素影響，包括孔隙分佈和表面面積，這些都將直接影響細胞在支架內的滲透深度和速率。
無支架技術
無支架技術則通過使用低粘附性板、懸掛液滴板和旋轉生物反應器等方法進行細胞培養。這些技術強調不依賴固體支架的方式來創造細胞之間的互動。由於無支架技術在模擬生理環境方面的優越性，這些方法在研究中愈加流行。
生物反應器和微流控技術
生物反應器是專門設計用於在三維環境中培養細胞的小型塑料圓柱體，其確保了細胞的營養供應。同樣，微流控技術可以創建精細的微型結構，並精確操控參數，以模仿體內細胞環境。 這兩者的結合可能開創出模擬真實生理條件的新方向。
3D培養的未來
目前，3D細胞培養技術的發展正日益加快，其中高通量篩選的進展尤其顯著。新的技術使得能以384和1536孔格式進行高密度的3D培養。這為藥物研發提供了可能性的更大橋樑。
「3D培養讓我們可以在無需動物試驗的情況下，實現類似於人類組織的反應。」
然而，儘管3D細胞培養展示了巨大的潛力，科學界仍面臨著諸多挑戰，包括如何更有效地整合這些技術以滿足臨床需求。未來的研究將對這些方法進行優化，以更好地促進藥物的發展與安全性測試。隨著更多科學家越過傳統培養的限制，我們是否將見證一場生物醫學研究的革命？
