3D細(xì)胞培養(yǎng)的簡(jiǎn)介及不同培養(yǎng)方法的詳細(xì)介紹

一、3D細(xì)胞培養(yǎng)簡(jiǎn)介
細(xì)胞體外培養(yǎng)模型和體內(nèi)動(dòng)物試驗(yàn)常被用來探索各種疾病的誘因和發(fā)展過程。體外細(xì)胞培養(yǎng)，也就是在適合細(xì)胞生長(zhǎng)的環(huán)境中培育來自動(dòng)物或人體的細(xì)胞，讓它們保持正常的生長(zhǎng)、繁衍，并維持一定的結(jié)構(gòu)與功能。傳統(tǒng)的體內(nèi)動(dòng)物試驗(yàn)，它主要通過神經(jīng)行為學(xué)觀察和組織病理學(xué)檢查進(jìn)行研究，相比于體外細(xì)胞培養(yǎng)模型，它具有明顯的缺點(diǎn)：試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)、成本高、結(jié)果主觀性強(qiáng)，亦無法從神經(jīng)毒性機(jī)制方面解讀活性物質(zhì)的具體作用，而且有時(shí)在動(dòng)物體內(nèi)的作用機(jī)制與在人體中的作用差距較大，不能夠準(zhǔn)確反映活性物質(zhì)的真實(shí)代謝情況。體外細(xì)胞培養(yǎng)可以在一定程度上彌補(bǔ)體內(nèi)動(dòng)物試驗(yàn)的局限性，尤其是在細(xì)胞分子機(jī)理相關(guān)方面的研究。但隨著對(duì)細(xì)胞培養(yǎng)模型研究的深入，科研人員發(fā)現(xiàn)二維細(xì)胞培養(yǎng)模型存在一些問題，例如細(xì)胞存活率低、細(xì)胞形態(tài)易受損、缺乏良好的細(xì)胞組織結(jié)構(gòu)等。因此，為了克服二維細(xì)胞培養(yǎng)的缺點(diǎn)，研究人員設(shè)計(jì)并開發(fā)了三維細(xì)胞培養(yǎng)方法。

二、3D細(xì)胞培養(yǎng)在研究中的優(yōu)勢(shì)
1. 球狀體和類器官的生成：3D細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)是制備球狀體（spheroids）和類器官（organoids）的基礎(chǔ)技術(shù)。這兩種細(xì)胞集合在構(gòu)建模擬生物實(shí)際情況的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜁r(shí)都有其獨(dú)特的價(jià)值。球狀體由同一類型或多種類型的細(xì)胞聚集而成，體內(nèi)的細(xì)胞相互連接形成一種類似真實(shí)生物體的三維網(wǎng)絡(luò)。類器官則是由多種類型的細(xì)胞以特定的空間組織形式構(gòu)建起來，模擬了器官的微觀構(gòu)造和功能。
2. 研究模型的逼真性：通過3D細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)構(gòu)建的球狀體和類器官，比以往的2D細(xì)胞培養(yǎng)更能模擬細(xì)胞在生物體內(nèi)的生理環(huán)境。這讓我們能更好地理解細(xì)胞的行為，例如細(xì)胞的增殖、分化、遷移以及信號(hào)傳遞等。
3. 藥物篩選和毒性測(cè)試：在藥物開發(fā)和毒理測(cè)試過程中，利用3D細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)構(gòu)建的球狀體和類器官可以更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)藥物在生物體內(nèi)的作用，以及這些藥物可能的毒性反應(yīng)。
4. 疾病模型及治療方法的研究：3D細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)還使人們有能力生成和使用疾病特異性的球狀體和類器官，比如癌癥球狀體和類器官，這對(duì)于研究疾病進(jìn)程、篩選潛在藥物以及研發(fā)新的治療方法具有極高的價(jià)值。

三、3D細(xì)胞培養(yǎng)方法簡(jiǎn)介
1. 共培養(yǎng)法：這種方法是將細(xì)胞、細(xì)胞生長(zhǎng)因子、再造基質(zhì)蛋白以及適合的骨架混合在一個(gè)體系中進(jìn)行共同培養(yǎng)，其目的是使細(xì)胞在類似體內(nèi)環(huán)境的條件下生長(zhǎng)和分化。

適用的儀器：CERO 3D Incubator & Bioreactor
 

CERO 3D Incubator & Bioreactor 是一種專為提升干細(xì)胞、球狀體、類器官和組織研究而設(shè)計(jì)的3D細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)。該設(shè)備提供了獨(dú)特的培養(yǎng)環(huán)境，能夠在最高水平上優(yōu)化細(xì)胞的生長(zhǎng)和研究條件。

應(yīng)用領(lǐng)域
干細(xì)胞研究: 提供優(yōu)化的環(huán)境，支持干細(xì)胞的生長(zhǎng)和分化研究。
球狀體和類器官研究: 適合培養(yǎng)復(fù)雜的3D細(xì)胞結(jié)構(gòu)，如球狀體和類器官，模擬體內(nèi)組織結(jié)構(gòu)和功能。
組織工程和再生醫(yī)學(xué): 為組織工程提供了一個(gè)理想的培養(yǎng)環(huán)境，支持再生醫(yī)學(xué)研究和應(yīng)用。

產(chǎn)品視頻：https://www.bilibili.com/video/BV14yTrezEAy/?spm_id_from=333.999.0.0

2. 生物打印技術(shù)：3D生物打印技術(shù)是一種創(chuàng)新的方法，它可以精確地將細(xì)胞和其他生物材料排列在預(yù)定義的三維空間中。這種方法的主要優(yōu)勢(shì)是可以創(chuàng)建具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)和功能的生物組織模型。

適用的儀器：Cellink 3D生物打印機(jī)
 

Cellink的產(chǎn)品在3D細(xì)胞培養(yǎng)研究中的應(yīng)用廣泛，涵蓋了組織工程、藥物篩選、癌癥研究、干細(xì)胞研究和生物材料開發(fā)等多個(gè)領(lǐng)域。這些技術(shù)不僅加速了科學(xué)研究的進(jìn)展，也為醫(yī)療和生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)帶來了新的希望和可能性。

應(yīng)用領(lǐng)域
組織工程與再生醫(yī)學(xué)：Cellink的3D生物打印機(jī)和生物墨水用于打印具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的組織工程模型，這些模型能夠模擬人體組織的結(jié)構(gòu)和功能。
藥物篩選和毒性測(cè)試：3D細(xì)胞培養(yǎng)模型在藥物篩選和毒性測(cè)試中發(fā)揮著重要作用。相比傳統(tǒng)的2D細(xì)胞培養(yǎng)，3D模型可以更好地模擬體內(nèi)環(huán)境，從而提高藥物篩選的準(zhǔn)確性和有效性。
癌癥研究：利用Cellink的3D細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)，研究人員能夠構(gòu)建腫瘤微環(huán)境模型，這對(duì)于研究癌癥的生長(zhǎng)、轉(zhuǎn)移和對(duì)治療的反應(yīng)具有重要意義。
干細(xì)胞研究：Cellink的生物打印技術(shù)和生物墨水也被用于干細(xì)胞研究。通過3D細(xì)胞培養(yǎng)，可以模擬干細(xì)胞在體內(nèi)的生長(zhǎng)和分化過程，為干細(xì)胞治療和再生醫(yī)學(xué)研究提供了強(qiáng)有力的工具。

3. 微流控芯片技術(shù)：這是一種新型的細(xì)胞培養(yǎng)方法，能夠模擬細(xì)胞微環(huán)境，實(shí)現(xiàn)在芯片中的器官模擬。

適用的產(chǎn)品：NETRI器官芯片

NETRI的產(chǎn)品，特別是TriaLink™系列，是專為細(xì)胞研究中的三維培養(yǎng)和持續(xù)連接而設(shè)計(jì)的先進(jìn)微流體芯片。TriaLink™微流體芯片集成了微通道和NeoBento™技術(shù)，可以在獨(dú)立的區(qū)域內(nèi)培養(yǎng)多達(dá)三種不同類型的細(xì)胞。這種設(shè)置非常靈活，與標(biāo)準(zhǔn)成像技術(shù)和高通量篩選兼容。這些芯片可用于功能活性記錄、電生理學(xué)以及各種細(xì)胞相互作用的分析，適用于研究神經(jīng)元、膠質(zhì)細(xì)胞、皮膚細(xì)胞等等。其應(yīng)用包括研究神經(jīng)炎癥、腫瘤學(xué)、神經(jīng)系統(tǒng)疾病以及細(xì)胞遷移等。

應(yīng)用領(lǐng)域
藥品檢測(cè)：通過在生理模型上進(jìn)行毒性和療效測(cè)試，NETRI產(chǎn)品可幫助醫(yī)藥行業(yè)在推廣新療法前理解其作用機(jī)制，并進(jìn)行必要的藥效和安全性評(píng)估。這是一種可預(yù)測(cè)臨床反應(yīng)的方法，大大提升了藥品研發(fā)的效率和準(zhǔn)確性。

研究實(shí)驗(yàn)室：NETRI產(chǎn)品包括多種人工微型器官模型，配合人工智能處理，它們可為實(shí)驗(yàn)室提供各種實(shí)驗(yàn)環(huán)境，并能預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)的臨床反應(yīng)。

皮膚理療：可應(yīng)用于皮膚疾病、傷口愈合等領(lǐng)域的研究，這些產(chǎn)品可提供帶有神經(jīng)元刺激和動(dòng)態(tài)流體灌注生理環(huán)境的皮膚模型，提高了研究的實(shí)用性和應(yīng)用性。

生物制藥：憑借其在在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的深度專業(yè)知識(shí)，NETRI發(fā)展出一系列創(chuàng)新技術(shù)，為生物制藥產(chǎn)業(yè)提供啟示和參考。例如，NETRI的神經(jīng)流體器官芯片技術(shù)可用于多種指標(biāo)的藥品發(fā)現(xiàn)和臨床前試驗(yàn)。

Tips：傳統(tǒng)方法對(duì)3D細(xì)胞培養(yǎng)物（例如球狀體和類器官）的質(zhì)量分析及優(yōu)缺點(diǎn)介紹。
1. 形態(tài)學(xué)分析：
優(yōu)點(diǎn)：形態(tài)學(xué)分析是觀察3D細(xì)胞模型實(shí)物特性的最直觀方法，可以直接反映樣本的形狀、大小、形態(tài)變化等生物活性和功能的重要標(biāo)志。

缺點(diǎn)：過于依賴設(shè)備的精準(zhǔn)度和操作者的經(jīng)驗(yàn)，可能導(dǎo)致結(jié)果存在一定的主觀偏見。另外，觀察某些微觀結(jié)構(gòu)可能需要更為先進(jìn)和昂貴的設(shè)備，這可能會(huì)限制其在資源有限的環(huán)境中的應(yīng)用。

2. 活性/生存率測(cè)定：
優(yōu)點(diǎn)：可以直接測(cè)量細(xì)胞或組織樣本的生存狀況和生理活性，對(duì)于評(píng)估治療效果、藥物篩選等研究有重要價(jià)值。

缺點(diǎn)：需要特定的試劑和設(shè)備，示例如MTT試驗(yàn)可能受環(huán)境因素影響（如溫度、pH、氧化還原環(huán)境等），是一種破壞性的分析技術(shù)，不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的生物標(biāo)志物檢測(cè)。

3. 細(xì)胞分化marker的表達(dá)：
優(yōu)點(diǎn)：具有很高的特異性和靈敏度，可以通過對(duì)特定的marker進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)細(xì)胞或組織進(jìn)行準(zhǔn)確的識(shí)別。

缺點(diǎn)：需要特定設(shè)備和試劑，成本相對(duì)較高，操作和數(shù)據(jù)解析需要專門的訓(xùn)練和經(jīng)驗(yàn)。

4. 基因表達(dá)分析：
優(yōu)點(diǎn)：能提供大量的遺傳信息，有助于理解細(xì)胞或組織的生物學(xué)特性，以及更深入地研究生物體的復(fù)雜性和疾病的性質(zhì)。

缺點(diǎn)：所需要的設(shè)備和試劑成本較高，數(shù)據(jù)處理和分析復(fù)雜，需要相對(duì)專業(yè)的生物信息學(xué)工具和知識(shí)。

5. 功能性測(cè)試：
優(yōu)點(diǎn)：具有很好的針對(duì)性和精確性，根據(jù)研究需求選擇適宜的功能性測(cè)試，針對(duì)特定的功能或特性進(jìn)行評(píng)估。

缺點(diǎn)：需要精細(xì)且復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，執(zhí)行過程可能相對(duì)耗時(shí)，且對(duì)于不同的功能測(cè)試方法可能需要特定的設(shè)備和試劑。

6. 成像：
優(yōu)點(diǎn)：可以直觀、全面地觀察樣本，實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞或組織詳細(xì)、全面的了解，而且可以掌握樣本的空間結(jié)構(gòu)及其動(dòng)態(tài)變化，提供大量的信息。

缺點(diǎn)：設(shè)備成本高昂，技術(shù)要求高，數(shù)據(jù)處理復(fù)雜。對(duì)于深層部的細(xì)胞和組織可能需要更高級(jí)的成像技術(shù)，如共焦、二光子等顯微鏡技術(shù)，進(jìn)一步提高了實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜性與花費(fèi)成本。

四、3D細(xì)胞培養(yǎng)分析方法簡(jiǎn)介
1. 3D細(xì)胞、球狀體、類器官分析儀
在3D細(xì)胞培養(yǎng)體的研究中，通常將樣本大小的量化視為追蹤其發(fā)展過程的關(guān)鍵步驟，有助于我們對(duì)生長(zhǎng)狀況進(jìn)行觀察及其一致性的評(píng)估。然而，細(xì)胞樣本的三維特性不容忽視，單一的關(guān)注樣本尺寸可能會(huì)忽視這一核心特點(diǎn)。因此，我們的考量應(yīng)不僅局限于尺寸，更需深入到三維結(jié)構(gòu)的層面。

3D細(xì)胞培養(yǎng)體的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度由其內(nèi)部細(xì)胞、蛋白及密度的復(fù)雜平衡決定，每個(gè)因素在其功能表現(xiàn)中都發(fā)揮著關(guān)鍵作用。對(duì)這每日的結(jié)構(gòu)生物標(biāo)志物進(jìn)行全面評(píng)估，會(huì)揭示出3D培養(yǎng)體的完整發(fā)展?jié)摿Α?/span>

更深地，了解質(zhì)量密度可助我們更全面把握3D細(xì)胞培養(yǎng)體的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，揭示細(xì)胞密度、細(xì)胞外基質(zhì)組成以及空腔形成之間的微妙關(guān)系。類器官的質(zhì)量密度主要根據(jù)其單位體積內(nèi)的細(xì)胞數(shù)量確定，同時(shí)，細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）的組成比例也會(huì)對(duì)質(zhì)量密度產(chǎn)生影響。此外，空腔的存在或缺失可能會(huì)對(duì)類器官的質(zhì)量密度造成顯著影響。

Celldynamics W8
Celldynamics  W8設(shè)備，由Cell Dynamics公司研發(fā)，是一款專門用于定量測(cè)量大小、重量和質(zhì)量密度的生物樣本重量評(píng)估裝置。此設(shè)備適用于尺寸在100微米至600微米之間的球狀體和類器官。獲取球狀體或細(xì)胞集合的準(zhǔn)確質(zhì)量密度、形態(tài)、大小和重量信息對(duì)于全面理解實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其影響的生物過程具有重要的作用。W8設(shè)備的初步應(yīng)用廣泛，落地領(lǐng)域包括癌癥研究、組織工程及再生醫(yī)學(xué)等。W8物理細(xì)胞測(cè)量系統(tǒng)通過實(shí)現(xiàn)3D異質(zhì)模型的標(biāo)準(zhǔn)化開啟了全新的研究范式。其獨(dú)特的重力測(cè)量技術(shù)大大提高了圖像的保真度，使得3D細(xì)胞模型的研究更具精細(xì)度和可重復(fù)性，這無疑為復(fù)雜的生物系統(tǒng)研究提供了更深層次、更細(xì)致的分析工具。
 

主要特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)
創(chuàng)新技術(shù)： 設(shè)備的重力測(cè)量技術(shù)大大提高了圖像的保真度，為3D細(xì)胞模型的研究提供了強(qiáng)力支持。

高精度測(cè)量：W8設(shè)備可以對(duì)樣本體積、重量和質(zhì)量密度進(jìn)行高精度的定量測(cè)量，使得研究人員能夠獲取樣本的詳細(xì)參數(shù)。

廣泛應(yīng)用：W8設(shè)備適用于尺寸在100微米至600微米之間的3D球狀體和類器官，應(yīng)用范圍覆蓋廣泛。

深度洞察： 獲取球狀體或細(xì)胞集合的質(zhì)量密度、形態(tài)、大小和重量信息能為研究人員提供深度洞見，助其更全面理解實(shí)驗(yàn)結(jié)果與其影響生物過程的關(guān)系。

分選：W8設(shè)備不僅能對(duì)球狀體、類器官進(jìn)行測(cè)量，還能進(jìn)行分選。它的生物物理性質(zhì)分選技術(shù)確保了球狀體樣本的無菌和活性，可以根據(jù)尺寸或密度對(duì)樣品進(jìn)行分選，不需要標(biāo)記，操作簡(jiǎn)便且準(zhǔn)確。

實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化：W8物理細(xì)胞測(cè)量系統(tǒng)通過實(shí)現(xiàn)3D異質(zhì)模型的標(biāo)準(zhǔn)化，開創(chuàng)了新的研究范式。

便捷操作： 設(shè)備的便捷操作和自動(dòng)化處理使實(shí)驗(yàn)過程變得更為簡(jiǎn)便高效，減少了操作難度。

應(yīng)用領(lǐng)域
腫瘤研究
Celldynamics W8可以精確量化腫瘤球狀體（spheroids）和類器官（organoids）的大小、重量和密度，幫助研究人員更好地理解腫瘤的結(jié)構(gòu)和生長(zhǎng)模式。這對(duì)于癌癥治療和新藥開發(fā)非常重要[1]。

藥物篩選
通過高通量處理能力，Celldynamics W8能夠快速評(píng)估藥物對(duì)3D細(xì)胞培養(yǎng)模型的影響，為藥物篩選和毒性測(cè)試提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。其無損、無標(biāo)簽的檢測(cè)方法確保了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。

組織工程
在組織工程領(lǐng)域，Celldynamics W8可以幫助研究人員分析和優(yōu)化3D細(xì)胞結(jié)構(gòu)的形成和發(fā)育過程，確保人工組織的質(zhì)量和功能性。

再生醫(yī)學(xué)
該設(shè)備在再生醫(yī)學(xué)中有重要應(yīng)用，通過量化細(xì)胞球狀體和類器官的生長(zhǎng)和分化，評(píng)估干細(xì)胞治療的效果，推進(jìn)復(fù)雜疾病的治療研究。

免疫學(xué)研究
Celldynamics W8可以用于研究免疫細(xì)胞在3D細(xì)胞模型中的行為，幫助理解免疫細(xì)胞如何滲透和攻擊腫瘤細(xì)胞，提高免疫治療的效果。