细胞培养在药物发现、癌症及干细胞研究中发挥巨大的作用。目前大多数细胞使用二维(2D)培养，但由于其局限性，相较于细胞正常生理状态下差距较大，使得通过其获得的实验数据误差较大，进而加大药物研发的难度。随着生物材料的革新与技术突破，三维(3D)细胞培养技术得以改进和创新，使得3D细胞培养逐渐得到认可，且越来越大众化。

相较于2D培养，3D细胞培养能保留细胞自然形状，可以操纵细胞环境来模拟体内细胞的环境，与传统单层培养的细胞相比，3D模型可以进行药物筛选，并且可以注意到细胞形状、密度和药物敏感性的，并提供关于细胞间相互作用、肿瘤特征、药物发现、代谢谱、干细胞研究和其他类型疾病的更准确数据。

哺乳动物的组织和器官生物学研究非常具有挑战性，特别是在人类中，由于样本可及性和伦理问题，进展可能会受到阻碍。然而，干细胞培养的进步已经使得在体外获得被称为类器官的3D组织成为可能，这些组织可以在微米到毫米的尺度上捕捉到真实器官的一些关键的多细胞、解剖甚至功能特征。最近的研究表明，类器官可以用来模拟器官的发育和疾病，在基础研究、药物发现和再生方面有着广泛的应用。

1. 3D细胞培养方式

当前3D细胞培养根据其培养方式可以分为支架培养和无支架培养两种方式。

支架技术主要是基于水凝胶的载体和聚合物硬材料基载体。水凝胶具有和天然组织非常相似的生物物理学特性，因而是当前应用广泛的高效的3D 细胞培养基质。它可以单独或和其他技术（如固体支架、可通透支持物、细胞微阵列和微流体设备）联用。

水凝胶能够模拟细胞外基质（ECM），同时允许细胞因子和生长因子等可溶性因子通过类组织凝胶。合成水凝胶通常由聚乙二醇(PEG)、聚乳酸(PLA)或聚醋酸乙烯酯(PVA)等合成聚合物制成。类可器官通过形成ECM纤维聚集成球体，通过整合素结合将单个细胞连接在一起，并模拟某些器官的微环境，使研究人员能够通过使用患者来源的多能干细胞来模拟人类疾病。

悬滴微孔板、磁悬浮微孔板和超低附着涂层球形微孔板等无支架技术在没有支架的情况下细胞自由生长，具有独特的优势。悬挂式滴板利用重力作用，通过自聚集形成球体。球体悬挂在开放的无底井中，这些井通常被封闭在平板的底部，以调节细胞的环境湿度。这种方法的优点是可以通过控制悬滴而精准的控制微组织球，使其具有高一致性，为后续研究提供好的微组织材料。而且通过悬滴法可以实现对不同细胞类型的共培养，保证共培养细胞间的信息交流。

1. 3D细胞培养优势

传统细胞培养技术在模拟细胞体内生存环境方面做得还不够。3D细胞培养技术的发明就是为了在细胞培养过程中，为细胞提供一个更加接近体内生存条件的微环境。

3D 培养中的细胞事件与生理条件密切相似，与 2D 培养条件相比具有以下明显优势：

1. 干细胞通常被用作再生医学和细胞治疗应用的手段。然而，在临床应用中，2D细胞培养技术已被证明在使用干细胞时是无效的，在 3D 中生长的干细胞表现出明显更高的分化潜能。

2. 在 3D 培养中药物安全性和有效性研究是高效的，相对更容易进行，减少了制药公司在药物发现上花费的时间。在 3D 细胞模型中可以有效地研究药物引起的肝毒。

3. 3D 培养在预测耐药性方面提供了更好的数据。烷化剂在与体内肿瘤相比较的 3D 培养中表现出耐药性。

3. 病毒生长、感染和病原体——宿主相互作用等病毒发病机制可以使用 3D 模型以较低的危险水平进行研究。

4. 3D培养具有更高的比表面积 ，具有类似细胞外基质的特性，有利于细胞迁移，提供较为理想的细胞微环境。

3D细胞培养的应用场景

1. 抗肿瘤药物筛选与药物毒性分析

3D细胞模型已经成为药物发现的方法之一，在药效评估的过程中更具洞悉力和预测力，也可以避免使用小鼠等动物模型。通过体外培养肿瘤细胞3D模型，药物处理后通过荧光素酶进行细胞活性分析来进行药物对肿瘤细胞的杀伤作用及药物敏感性研究。

2. 干细胞类器官培养

2D细胞培养无法准确复制干细胞的体内微环境，使得其增殖能力和分化活性降低。然而，利用3D细胞培养手段得到的干细胞可以表现出与体内相似的细胞形态、应激反应、基因表达模式，细胞的活性和存活率也得到明显改善。例如使用骨髓来源的间充质干细胞（MSCs）进行3D细胞培养得到的细胞模型具有更高的细胞因子旁分泌能力、更强的抗凋亡和抗氧化能力。

2. 微流控类器官芯片

类器官模型可以很好地模拟真实器官的主要特征，然而无法模拟体内的血液流动或多器官间的相互交流。微流控、微芯片、微电子等工程技术与3D细胞培养结合的交叉应用——类器官芯片应运而生，为科学家们带来了新的研究利器。使用干细胞进行培养并分化成为相应的类器官，通过微流控技术控制芯片内培养基的流动并形成适合的剪切力、压力以及张力等，由此构建的人体类器官芯片在高通量药物筛选、药物吸收代谢、人体循环系统研究、人工仿生微环境、细胞间互作以及细胞与细胞外基质互作、新型体外培养平台等方面都有所发展。

3. 肿瘤模型构建与免疫治疗

开发精确的肿瘤模型以了解肿瘤特征是揭示癌症病理过程以及相应治疗方法研发的关键。尽管培养技术简便的2D肿瘤细胞模型仍在被广泛使用，但由于其无法模拟肿瘤细胞的病理生理学，往往无法得到真实可信的实验数据。使用3D细胞培养方法得到的肿瘤细胞模型因具有体外重塑肿瘤微环境的能力而成为肿瘤细胞生物学研究的焦点。肿瘤模型也可以用于基因表达和细胞信号通路的研究，并通过映射比较评估现有的2D细胞模型的准确性和代表性。3D细胞模型可以模拟体内肿瘤细胞的表型变化并拥有更加真实的蛋白活性，这使得在体外的免疫疗法评估实验中，可以展现比2D细胞模型更加真实的免疫杀伤反应。通过构建更具洞悉力的肿瘤模型，3D肿瘤细胞模型已被应用于细胞毒T细胞攻击评估、耐药评估、肿瘤细胞侵袭和转移机制研究等研究领域。

总之，3D细胞培养以其独特的优势在细胞生物学上发挥越来越重要的作用。检测3D细胞相关生理状态与分子信号的产品也应运而生,例如荧光素酶等产品对细胞活性、代谢分子、信号通路激活等相关状态的分析有助于直观展现细胞生理状态与基因表达情况，提供准确的研究数据，为科研提速。