三维细胞培养的意义
生物医学研究的体外和体内模型技术进展及其应用
生物医学研究的体外和体内模型技术进展及其应用随着生物医学研究的深入，对于疾病的研究不能仅仅依靠临床数据和动物实验。
由于人体复杂的生理结构和环境，以及道德、法律和安全等限制，单一实验手段已经无法满足研究需要。
因此，体外和体内模型技术成为了现代生物医学研究的重要手段，得到了广泛关注和应用。
一、体外模型技术体外模型，也称为细胞系、细胞培养模型或体外实验，指的是直接人为将动植物组织或细胞分离、培养和鉴定，以模拟疾病的发生和病理生理变化。
相对于体内模型技术，体外模型技术具有优越的灵敏度、可重复性和便携性。
1. 原代细胞培养技术原代细胞培养毫无疑问是最早发展的体外模型技术之一，包括从组织中分离的原代细胞和从血液样品中分离的外周血单个核细胞。
此外，通过对干细胞、胚胎干细胞等特殊细胞进行培养，不仅可以推动干细胞与组织再生领域的开展，还可以帮助研究人类早期胚胎发育和诊断遗传性疾病。
2. 三维细胞培养技术与传统平板式培养技术不同，三维培养技术可以模拟更加真实的生物环境，对于某些生物医学研究领域具有独特的优势。
例如，人类肝细胞和心肌细胞，平时因为生长环境的不同，难以在二维培养环境模拟其生存环境，使用三维培养技术可以解决这个问题。
此外，三维培养技术也可以实现人体细胞与细胞之间的组织工程修复。
3. 利用基因工程技术构建体外疾病模型基因工程技术的广泛应用，使得构建许多体外神经退行性疾病模型成为可能。
研究人员通过对细胞进行特定基因的转化和敲除，模拟疾病的发生和病理生理变化过程，从而可以研究疾病发生机制与治疗方法等问题。
此外，利用不同的基因修饰策略，还可以构建多种类型的疾病模型。
二、体内模型技术相对于体外模型技术，体内模型技术更加完整地模仿了真实场景。
与此同时，体内模型技术在很多情况下具有更高的预测能力。
但由于种种原因，体内模型技术的研究成本和难度也更高。
1. 动物模型动物模型是体内模型技术最传统和常见的方法，对于很多疾病的研究和药物安全性测试都得到了广泛应用。
3D培养技术在细胞培养中的应用
3D培养技术在细胞培养中的应用作者：窦毅鹏来源：《科技资讯》2018年第03期摘要：细胞培养是研究体内细胞在体外生物学行为的重要的研究手段。
传统的细胞培养是在培养皿或培养瓶的二维平面上进行的，这与细胞在体内所处的三维生长环境有着很大的区别。
三维（3D）培养则是一种可以使细胞在体外条件下在进行三维生长的培养方法，可以更好地模拟细胞在体内的生长状况及环境。
在三维培养条件下细胞的许多生物学行为与传统的二维培养有着很大的不同，其应用领域也有更广泛的扩张，具有重要的研究意义。
本文将对三维细胞培养的发展、特点及应用进行简要的综述。
关键词：3D 细胞培养体外培养支架技术中图分类号：Q813 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）01（c）-0247-021 3D细胞培养的发展过程自从四十多年前常规真核细胞培养出现以来，支持细胞生长的最常见的物质为聚苯乙烯或玻璃，细胞在其平坦的二维表面可以进行生长。
应用这种细胞贴壁培养的方法，已经有成千上万的关于肿瘤细胞或正常细胞生物行为的研究被发表。
然而，对这些研究所基于的一个主要假设是，体外单层培养的细胞可以再现生物细胞在体内的生理学行为。
显然，在二维的玻璃或聚苯乙烯底物上生长的真核细胞并不能准确地反映出自然条件下组织中细胞的生长及与细胞外基质的准确的相互作用。
已经有研究发现，在体外培养条件下所观察到的许多复杂的生物学反应如受体表达、RNA 转录、细胞迁移和细胞凋亡等与在体内器官或组织中所观察到的并不相同。
从正常的细胞分裂、细胞增殖到细胞迁移及细胞凋亡等细胞生物学行为都是需要依赖于空间和时间的精确调控。
相比之下二维的细胞的培养方法则相对简单，忽略了这些已知的对细胞生长和组织生理学的精确调控有重要意义的参数。
这其中包括机械力的信号、细胞与细胞基质之间的信号传递以及相邻细胞微环境之间的信号沟通。
特别是在细胞间信号传递方面，许多二维培养实验未考虑不同细胞类型之间的相互作用，绝大多数培养物是单一细胞类型。
3d细胞培养原理
3d细胞培养原理
3D细胞培养原理
细胞培养是生物学研究中的重要手段之一，它可以为科学家提供大量的细胞样本，以便进行各种实验和研究。
传统的细胞培养方法是在平板上进行的，但是这种方法存在一些缺陷，比如细胞无法形成真正的三维结构，这对于某些研究来说是非常不利的。
因此，3D细胞培养方法应运而生。
3D细胞培养是一种新型的细胞培养方法，它可以让细胞在三维空间中自由生长和发育，从而形成真正的三维结构。
这种方法可以更好地模拟人体内部的环境，因此在药物研发、组织工程等领域有着广泛的应用前景。
3D细胞培养的原理是将细胞种植在一种特殊的基质中，这种基质可以模拟人体内部的环境，比如细胞外基质、胶原蛋白等。
这种基质可以提供细胞所需的营养和支持，同时也可以模拟细胞在人体内部的生长环境，从而促进细胞的生长和发育。
在3D细胞培养中，细胞可以自由生长和发育，形成各种不同的结构，比如球形、管状、片状等。
这些结构可以更好地模拟人体内部的组织结构，从而为药物研发和组织工程提供更加真实的模型。
3D细胞培养的优点不仅在于可以模拟人体内部的环境，还在于可以提供更加真实的实验结果。
传统的细胞培养方法往往只能提供一
些基本的实验结果，而3D细胞培养可以更加真实地模拟人体内部的环境，从而提供更加准确的实验结果。
3D细胞培养是一种新型的细胞培养方法，它可以让细胞在三维空间中自由生长和发育，从而形成真正的三维结构。
这种方法可以更好地模拟人体内部的环境，因此在药物研发、组织工程等领域有着广泛的应用前景。
3D细胞培养
cytoskeleton, ECM, RNA metabolism, protein metabolism, signal transduction, and other functions
Fold changes> 1.5-fold or greater. RT-PCR: GAPDH(三磷酸甘油醛脱氢酶) mRNA. The gene expression changes reflected influences of culture dimension.
定的底物，体外时，这些底物可以是其他细胞、 胶原、玻璃、或塑料等。
生长方式： 贴附生长型 悬浮生长型：血细胞、癌肿细胞 CHO （中国仓鼠卵巢）
在活体体内时各自具有其特殊的形态， 在体外培养时细胞常在形态上表现得比较
单一化，失去其在体内原有的某些特征。 体外培养贴壁细胞形态 上皮样细胞 成纤维样细胞
美国约翰·霍普金斯大学研究人员发现
通过3D细胞培养，可以弥补基于2D细 胞培养的药物研究结果和临床研究结果存 在差异的不足，有助于抗癌药物的筛选。
美国俄亥俄州立大学研究人员ห้องสมุดไป่ตู้
用3D细胞培养技术来培养包括人胚胎干 细胞和结肠癌细胞在内的许多不同类型的 人源细胞 ，来筛选抗癌药物 3D培养细胞的 药物反应更加接近体内的情况，因此，在 此基础上的药物筛选也更加可靠。
3D细胞培养
学生：董浩 导师：李红民老师
简要介绍 与2D细胞培养异同
实现方法
一、简要介绍
1.细胞培养
从动物活体体内取出组织，模拟体内生 理环境，在体外孵育培养，使之生存并增 殖。可分为：细胞培养、组织培养、器官 培养。
三维细胞培养技术在再生医学研究中的应用
第２ ７卷 第 ４期
２ １ 年 ７月 ０１
科 技 通 报
ＢＵＬ ＥＴ Ｎ ０Ｆ Ｓ Ｉ Ｌ Ｉ Ｃ ＥＮＣ Ｅ ＡＮＤ Ｔ ＨＮＯＬ ＧＹ ＥＣ Ｏ
Ｖｏ ．７ １ Ｎｏ４ ２ ．
Ｊ ｌ ２ １ ｕｙ ０ １
三维细胞培 养技术在 再 生 医学研 究 中的应用
赵 燕娜 ， 许 健 ， 同乐 邓
改性设 计研； 三 再生 医学 ； 细胞 ； 干 血管再 生；器官与组织修 复
中图分类号 ： ８ ３１ Ｑ １． 文献标 识码 ： Ａ 文章编号 ：１０ — １９ ２ １ ）４ ０ ３ — ５ ０ １７ １ （０ １０ — ５ １ ０
Ａｐ ｌ ａ ｉ ｎ ｏ ｒ ｅ－ｉ ｅ ｓｏ ａ ｌ Ｃｕ ｔ ｒ ｎ ｅ－ｅ ｅ ａ ｉ ｅ Ｍ ｅ ｉｉ ｅ Ｓ ｕ ｙ ｐ ｉ ｔｏ ｆＴｈ ｅ ・ ｍ ｎ ｉ ｎ ｌＣｅｌ ｃ ｄ ｌ ｅ Ｉ ｒ － ｎ ｒ ｔ ｄ ｃｎ ｔ ｄ ｕ ｇ ｖ
Ｚ ＨＡ０ Ｙ ｎ ａ ， ａ ｎ ＸＵ ｉｎ’ＤＥ ｏ ｇｅ Ｊａ ， ＮＧ Ｔ ｎ ｌ
（． ｏ ｅｅｏ ｉ ｃ ｎ ｅＺ ｅ ａｇＣ ｉｅｅＭｅ ｉ ｌ ｎｖｒｉ ， ｎ ｚｏ １０ ３ Ｃ ｉ ；． ｅ ａｔ ｎ ｉ ｅ ｉ ｌ １Ｃ ｌ ｇ ｆ ｆ Ｓｉ ｃ ，ｈｊ ｎ ｈｎ ｓ ｄｃ ｉ ｓｙ Ｈａｇｈ ｕ３ ０ ５ ，ｈｎ ２ Ｄ ｐｒ ｌ Ｌｅ ｅ ｉ ａＵ ｅ ｔ ａ ｍｅｔ ｆ ｏ ｄｃ ｏＢ ｍ ａ
三维细胞模型的制备与应用
三维细胞模型的制备与应用细胞是构成生命的基本单位。
在过去的几年中，随着科技的发展，人们逐渐开始通过三维打印技术制备三维细胞模型，以更好地了解细胞的结构和功能。
本文将介绍三维细胞模型的制备方法和应用前景。
一、三维细胞模型的制备方法1.肝细胞三维模型肝脏是人体重要的代谢器官，肝脏细胞的形态、结构、组成和功能对于肝脏的代谢、解毒、排泄等功能具有重要的影响。
通过三维打印技术制备肝细胞模型，可以更精确地研究肝细胞的构造和机能。
肝细胞三维模型的制备过程比较复杂，需要进行细胞培养、材料制备、模型打印等多道工序。
其中，细胞培养要求细胞生长繁殖良好，材料制备要求生物材料具有良好的生物相容性和生物活性，模型打印要求打印设备精度高、速度快。
2.肿瘤细胞三维模型肿瘤是人类的重大健康问题之一，研究肿瘤细胞的结构和功能对于肿瘤的治疗与预防具有重要的作用。
通过三维打印技术制备肿瘤细胞模型，可以更好地了解肿瘤细胞的组织结构和生长机制。
肿瘤细胞三维模型的制备过程与肝细胞模型类似，需要进行细胞培养、材料制备、模型打印等多道工序。
不同的是，肿瘤细胞的生物学特性与正常细胞不同，导致其培养和性质研究更加困难。
二、三维细胞模型的应用前景1.药物筛选通过三维细胞模型可以更好地了解细胞的形态、构造和功能，从而更准确地预测药物的药效和副作用。
目前，三维细胞模型在药物筛选领域已经取得了很多成功的应用，成为药物创新和开发的重要手段之一。
2.组织工程组织工程是一种通过细胞培养和生物材料构建组织或器官的技术，具有重要的生物医学应用前景。
通过三维打印技术制备细胞模型可以更好地了解人体细胞的三维结构和生理功能特征，为组织工程技术的发展提供了一种新的技术手段。
3.医学教育和科普通过三维打印技术制备的三维细胞模型可以更直观地呈现细胞的生物学特性和构造，从而更好地进行医学教育和健康科普。
未来，在医学教育和科普领域，三维细胞模型将成为一种重要的教学工具和科普文章的内容。
3D细胞培养在药物研发中的研究进展
3D细胞培养在药物研发中的研究进展新靶标的发现及发挥作用的分子与化合物的合成是药物研发的基础与重中之重，药代动力学和毒性效应是它们的作用机制。
技术的进步和学科之间的交叉渗透，使药物发现过程变得不那么繁琐反而更加简易。
生物信息学的发展使得药物在体内的代谢、作用及预后等方面可进行体外模拟，进而确定潜在的药物靶点成为可能。
应用生物信息学（结构建模）结合药物化学和细胞培养进行的体外药物检测已成为初期药物研发的主要方式，这种方法不仅有助于节省时间和成本，还有助于发现针对患者治疗的正误和有效与否。
近年，对三维细胞培养（three-dimensional cell culture，TDCC）技术最新进展的报道层出不穷，主要描述了该模型中癌细胞生长的不同物理特性和信号调控，癌细胞对药物的敏感性和如何使药物渗透至细胞，还报道了细胞对抗癌药物的敏感性受到基质性质和使用的细胞类型的影响。
业已证明，TDCC模型结合微阵列和生物信息学对于药物发现和筛选具有潜在的应用前景。
1 TDCC诱导的基因表达和药物效应候选药物在靶细胞中诱导的损伤程度是药物研发的价值体现，而安全性检测为副作用的发现提供了可能，是药物筛选的基础。
与单层细胞培养相比，TDCC 会诱导细胞基因和蛋白的差异表达，对识别新的药物靶标更具实际意义。
Li等对人神经母细胞瘤细胞SH-SY5Y进行了3D细胞培养，使用微阵列和RT-PCR分析了1766个基因的表达变化，发现不同基质特性诱导的TDCC可发生特征性变化，并强调了该研究可直接应用于药物剂量、代谢途径、药效等的检测，为个体化精准医疗提供最佳治疗结果。
另一项关于TDCC诱导的基因表达差异的综合研究是使用了对血管平滑肌细胞的9600个基因的微阵列分析。
显示在3D培养物（也称为球体）中超过77种与药物重新定位的相关基因发生过表达。
Peyton团队将TDCC技术引入平滑肌细胞的培养，结果显示TDCC中细胞外基质的力学特性可调节RhoA表达和活化，对细胞增殖具有显着影响，有助于改善抗增殖药物的使用。
(2020年整理)3D细胞培养.pptx
学海无 涯 1.倒置显微镜观察 3D 多细胞肿瘤球形态：直接将 96 孔板置于倒置显微镜下观 察即可。 2.激光共聚焦显微镜观察：用移液器小心取出孔内的肿瘤球，用 PBS 清洗 3 遍 后，采用 4%多聚甲醛固定，并用 Hoechst 33258 对细胞核进行染色，PBS 清洗 3 遍后在激光共聚焦显微镜下观察（图 3）。
2.采用低温离心机进行离心，离心条件为 4℃，1000×g，10 min。
注意：离心 96 孔板时为保持无菌，将 96 孔板的周围后，取出 96 孔板，摘下封口膜，喷洒酒精后放入培养箱内培养。整 个培养流程如图 1 所示。 4.在培养的第 3、5 和 7 天，更换孔内的 100 μL 培养基并采用倒置显微镜观察 肿瘤球的形态。
学海无 涯
3D 多细胞肿瘤球的培养
原创 2017-04-20 医生科研助手
3D 多细胞肿瘤球是在体外应用组织培养方法使肿瘤细胞以多细胞集聚 体的形式生长成为具有三维结构的球体。 与传统的 2D 贴壁细胞培养模型相比，3D 多细胞肿瘤球可以通过模拟三维细胞网 络、细胞与基质、细胞与细胞之间的相互作用，从而更加贴近肿瘤组织中相应的 病理生理特征。 因此，3D 多细胞肿瘤球培养模型已经逐渐应用于干细胞培养和分化、癌症研究、 药物和毒性筛选及组织工程等特定应用中。
虽然 3D 多细胞肿瘤球模型具有更显著的实体肿瘤生理相关性，但是与 2D 贴壁细 胞培养模型相比，获得大量相对统一的 3D 多细胞肿瘤球模型需要一系列的培养 过程和表征手段。
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三维细胞培养——
提供更真实的体外生物模型
细胞2D培养与3D 培养的本质差异
细胞特征2D 培养3D 培养形态片状、平板、单层生长球状或聚集状的自然结构
增殖速度比活体内细胞更快因3D模型和细胞不同，可能比
2D培养的更快或更慢
在培养基/药物中的
暴露程度细胞均匀暴露于培养基中的营养物/
生长因子/药物
营养物/生长因子/药物可能无法
充分浸润到中心区域的细胞
基因/蛋白表达比体内细胞相比，基因和蛋白表达
水平都有所差异更接近体内细胞的状态。
干细胞能更好地维持干性，也更容易被诱导分化
药物敏感性细胞对药物更敏感，药物似乎更有
效果细胞对药物更耐受，结果能更有效地指导体内药物治疗
3D与2D培养的干细胞生物学特性对比
3D培养的干细胞与2D培养的干细胞相比
●细胞活力更强
●能更好地维持干性
●更容易被定向诱导分化
参考文献：Ling Guo, et al. Epigenetic changes of
mesenchymal stem cells in three-dimensional (3D) spheroids. J.
Cell. Mol. Med. 2014,18,(10):2009-2019
产品介绍
3D与2D培养的肿瘤细胞药敏性对比
●药物种类：阿霉素
●细胞类型：MCF-7
●结果：3D培养的肿瘤细胞IC50（达到50%死亡
率时所需的药物浓度）是2D培养细胞的100倍
3D培养的细胞与体内真正的3D肿瘤组织有更强的生物学相关性，因此更能预测临床结果。
对于大多数抗肿瘤药物，3D培养的细胞的药敏性要低于2D培养的细胞。
用传统的2D培养细胞筛选出来的药物，通过动物实验后，能通过三期临床实验的只有10%。
而最终被证明有效的只有5%。
造成了极大的实验成本浪费。
3D 培养——更真实的体外生物模型3D culture
•得出更真实的结果
3D culture
•为临床试验节约成本
3D culture
•发表更高层次的论文
3D细胞培养常见方案
悬浮培养，使细胞自发聚集成球
•无法精确控制球的大小
•换液易损失细胞球
悬滴培养
•换液困难
•用微流体装置换液操作繁琐，代价高昂，较难普及
三维支架包裹培养
•生物相容性差
•细胞成活率低，难以长成类组织结构
活组织块培养
•微组织切块难
•营养吸收差，培养成功率低。