从培养到成像：3D细胞培养的新工具

与2D培养相比，3D培养无疑更高级。从平面到立体，它更接近体内状况，在生物学研究中也更具价值。当然，3D培养也更困难，对实验人员的要求更高。好在，新工具的不断涌现正在简化3D培养的流程。

如今，市场上有多种3D培养模型可供选择，包括3D培养支架（scaffold）、超低吸附的微孔板、悬滴培养板、成球培养板等，能够更好地满足人们的研究目标和通量水平。Promega的资深科学家Andrew Niles表示：“3D细胞模型与创建它们的科学家一样具有多样性和想象力。”本文将介绍一些新工具，希望能帮助大家简化流程，更高效地获取生理相关的信息。

量身定制的细胞外基质

在药物开发的过程中，使用生理相关的3D细胞培养材料有望加快整个流程。Xylyx Bio公司就提供了适用于3D培养的TissueSpec细胞外基质（ECM）水凝胶和支架；两者均来源于特定的器官（人或猪），并对应于特定的细胞类型，例如，适用于心肌细胞3D培养的支架或水凝胶就来源于心脏组织。

“我们发现，在这些组织特异性底物上培养的细胞在行为上与体内的细胞更为相似，”产品总监Tanya Yankelevich谈到。“我们这些组织特异性的细胞外基质产品带来了具有预测价值的生理相关微环境，在药物测试和癌症研究中特别重要。”

Yankelevich表示，在3D培养过程中，水凝胶是最常用的形式，因为它比支架更容易使用，而且更容易成像。不过，支架带来了更庞大的物理结构，这对于3D细胞的生长非常重要。“支架保留了天然的3D结构和天然组织的地形，这有助于研究天然组织力学和结构对细胞分化、迁移和功能的影响，” Yankelevich解释说。

她认为，从长远来看，在药物开发的过程中越早使用3D培养环境就越有利。“在药物开发的早期，细胞环境与真实的人类环境越接近，扭转药物失败率的机会就越大，”她补充说。

立即可用的微器官

StemoniX公司推出了立即可用的microOrgan®微器官平台，其中包括人iPSC来源的组织细胞以及数据分析软件包AnalytiX™。microOrgan是由神经或心脏组织构建而成的3D球体，称为microBrain®和microHeart®。StemoniX的高级营销总裁Blake Anson表示：“我们的microOrgan技术大大缩短了实验室的筛选流程。”

与2D培养物相比，3D细胞培养物能够更好地重建细胞微环境，因此microOrgan和AnalytiX技术可帮助科学家发现更多与生理相关的结果。“这避免了实验的死角，也避免了因不完整甚至不正确的生物学结论而不得不重复工作，从而节省了时间和资源，”Anson谈到。

据悉，StemoniX的许多客户都是生物制药公司。“他们在药物发现的各个阶段使用我们的microOrgan平台，包括早期和后期的毒性检测、疾病建模以及高通量筛选，”Anson补充说。

为3D培养而优化的检测

为了简化3D细胞培养流程，Promega为某些类型的3D培养物提供了简单而可靠的培养板检测。 “这让我们的用户能够快速了解其治疗对与细胞健康相关的多个参数的影响，” Niles说。他们的检测采取Promega一贯的“add-mix-measure”的形式，不需要洗涤或其他处理步骤。Promega提供3D终点检测，以及可在实验过程中收集数据的3D实时检测。

Niles认为，3D培养的另一个挑战是其物理结构，这限制了检测试剂的进入，也不方便人们在显微镜下观察。“3D结构的密度和强度往往阻碍了检测试剂的渗透性，因为它们无法完全穿透较大的物质去测定生物标志物，”他说。“类似地，由于激光效率及其他光学方面的考虑，显微镜方法也往往受到实际大小的限制。”

3D成像的分析软件

奥林巴斯公司的生命科学战略官Brendan Brinkman也同意这个观点，他认为3D细胞培养的成像和分析都具有挑战性。奥林巴斯的NoviSight软件意在简化3D培养物的显微研究，包含一系列快速的3D对象识别算法。它能够同时分析多孔板上的多个样品，“分析是快速的，在统计学上也是可靠的，” Brinkman解释说。

NoviSight允许多个数据模式的交叉链接，从原始图像到3D立体图，再加上群体数据的散点图显示，以及分割蒙版叠加，它带来了物体识别图库、统计数据表和微孔板热图。据介绍，NoviSight可以与奥林巴斯的共聚焦和多光子成像系统一起使用。

奥林巴斯最近还发布了Provi CM20系统（目前仅在美国和日本销售）。这是一种细胞培养的监控系统，利用人工智能对细胞数量和细胞汇合度进行自动测定，并对iPSC菌落进行鉴定。尽管Provi主要用于2D培养物的监控，但这些细胞往往用于3D培养物的构建。因此，2D培养物的质量也关乎3D培养检测的重现性。Brinkman指出：“细胞在开展微孔板检测之前的传代时间会大大影响细胞检测的一致性。”

尽管3D培养模型目前还不是标准的药物开发工具，但越来越多的生物制药公司有兴趣将其纳入研究之中。Brinkman表示：“我们的一些客户在使用多种3D细胞培养模型，而与我们交谈过的许多科学家要么在积极使用此类模型，要么正准备使用。”随着3D培养的普及，以及更多工具的出现，相信在不久的将来科学研究和药物发现都会有不少新变化。

（作者：Caitlin Smith / 生物通编译）