综述：三维球体模型在心血管生物学与病理学中的应用

这篇综述系统阐述了三维（3D）无支架细胞球体培养技术在心血管研究中的优势与应用，相比传统二维（2D）模型能更好模拟体内微环境（ECM）、细胞互作及机械传导，为血管生成（angiogenesis）、药物筛选和心脏组织修复提供了高保真平台。

　　

三维球体模型：心血管研究的革命性工具

摘要

传统2D细胞培养在模拟复杂组织微环境方面存在固有缺陷，而3D球体培养通过促进细胞-细胞和细胞-细胞外基质（ECM）的立体互作，显著提升了心血管研究的生理相关性。这类模型在血管生成、心脏微环境模拟及药物开发中展现出独特价值，尤其适用于全球头号健康杀手——心血管疾病（CVD）的机制探索。

1. 引言

2D培养虽在分子机制研究中贡献卓著，但无法复现体内三维结构的机械化学信号传导。例如，2D系统中细胞仅能水平接触，而3D球体通过氧分压和营养梯度形成三层结构：外层增殖区、中间静止区和中央坏死核，更接近实体瘤或缺血心肌的组织特征。表1对比显示，3D模型在细胞形态、表型维持及药物敏感性预测上全面优于2D系统。

2. 三维球体模型概述

从悬滴法到生物打印，球体制备技术各具特色（表2）。悬滴法和低吸附板成本低廉但通量有限，而声波悬浮和磁悬浮技术能快速形成均质球体。共培养体系尤其关键——将内皮细胞（EC）与平滑肌细胞（VSMC）以特定比例组合，可模拟血管壁的"内-外"结构，甚至重现动脉粥样硬化斑块中泡沫细胞的脂质蓄积过程。

3. 血管生物学与病理学应用

3.1 血管球体
Korff的经典实验证明，HUVEC与HUASMC共培养球体可自发形成VSMC核心-EC外壳结构，其PDGF-β分泌抑制和连接蛋白上调现象，揭示了血管稳态维持的分子对话。而在动脉粥样硬化模型中，载脂蛋白E敲除小鼠来源的泡沫细胞球体，成功用于他汀类药物疗效评估。

3.2 血管新生模型
通过将内皮祖细胞（ECFC）与间充质干细胞（MSC）共培养，Shah团队在胶原凝胶中观察到比单培养更旺盛的血管出芽。这种模型捕捉到血管成熟的关键步骤：MSC分化为周细胞并稳定新生血管，其HIF-1α和血管生成素-1的表达谱与体内高度一致。

4. 心脏球体模型

hiPSC来源的心肌细胞（CM）、成纤维细胞（CF）和EC构建的血管化心脏球体（VCS），在电生理检测中表现出同步搏动特性。值得注意的是，3D环境能阻止CF向肌成纤维细胞转分化——这一发现在心肌纤维化研究中意义重大。Richards开发的硅纳米线-电刺激联合系统，更使球体收缩力提升40%，心律失常风险降低。

5. 机械生物学研究

在刚度可调的甲基丙烯酰化明胶（GelMA）水凝胶中，心肌球体表现出刚度依赖性反应：高硬度（17.5 kPa）组YAP蛋白核移位显著，而低硬度（3.7 kPa）组则维持胞质定位。这为心肌梗死后ECM重塑如何加剧心功能障碍提供了机制解释。

6. 药物与再生医学应用

Christoffersson的"心脏球体-芯片"系统实现高通量药物筛查：20个球体/通道的微流控设计，配合自动化成像，可同时监测48种化合物的收缩抑制效应。在组织修复领域，装载hiPSC-CM的透明质酸水凝胶，移植后细胞滞留率提高3倍，但长期功能改善仍需验证。

未来挑战

尽管前景广阔，球体模型仍面临血管化不足、长期培养稳定性差等问题。最新解决方案如器官芯片（organ-on-a-chip）的融合，或将突破营养渗透限制，推动个性化医疗时代的到来。