01
2D細(xì)胞培養(yǎng)的局限性
細(xì)胞培養(yǎng)開始于 19 世紀(jì)末，在過去一個(gè)世紀(jì)中，維持和分析貼壁細(xì)胞系最流行的方法是 2D 或單層培養(yǎng)，但科學(xué)家們一直試圖解決一個(gè)問題，如何讓細(xì)胞在體外活的更真實(shí)呢？2D細(xì)胞培養(yǎng)像是“細(xì)胞住平板房”（圖1），但真實(shí)的人體是“細(xì)胞住立體社區(qū)”（圖2） ，而細(xì)胞3D培養(yǎng)是一種將細(xì)胞在三維空間進(jìn)行培養(yǎng)的技術(shù)，能更好的在體外模擬體內(nèi)環(huán)境，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)2D細(xì)胞培養(yǎng)的不足。
細(xì)胞形態(tài)和功能受限
細(xì)胞與微環(huán)境交互不足
2D培養(yǎng)中細(xì)胞對培養(yǎng)基中營養(yǎng)物質(zhì)和生長因子的攝取方式與體內(nèi)不同，所有細(xì)胞接收到的營養(yǎng)和因子基本相同，缺乏體內(nèi)復(fù)雜的化學(xué)梯度。細(xì)胞與細(xì)胞外基質(zhì)(ECM) 的相互作用也被簡化，無法體現(xiàn)體內(nèi)細(xì)胞與 ECM 離散連接的特點(diǎn)，影響細(xì)胞的信號傳導(dǎo)、增殖和分化等過程。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果與體內(nèi)情況差異大
模擬體內(nèi)真實(shí)環(huán)境
體內(nèi)細(xì)胞處于復(fù)雜的三維環(huán)境中，與周圍細(xì)胞和 ECM 緊密相互作用。3D 培養(yǎng)能夠更好地模擬這種環(huán)境，使細(xì)胞呈現(xiàn)自然的形態(tài)和極性，有利于細(xì)胞間的信號傳導(dǎo)和物質(zhì)交換，更準(zhǔn)確地反映細(xì)胞在體內(nèi)的行為和功能，如細(xì)胞的增殖、分化、遷移等過程。
提高實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性
在藥物研發(fā)、疾病研究等領(lǐng)域，3D 培養(yǎng)的細(xì)胞對藥物的反應(yīng)更接近體內(nèi)情況，能夠提供更可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。通過 3D 培養(yǎng)可以更準(zhǔn)確地評估藥物的療效和毒性，減少動物實(shí)驗(yàn)的需求，提高研究效率和成功率。
深入研究細(xì)胞行為和疾病機(jī)制
3D 培養(yǎng)有助于研究細(xì)胞在復(fù)雜環(huán)境中的行為，如腫瘤細(xì)胞的侵襲和轉(zhuǎn)移、干細(xì)胞的分化調(diào)控等。對于理解疾病的發(fā)生、發(fā)展機(jī)制，以及開發(fā)新的治療方法具有重要意義。
微流控概念
微流控是一種操控微小體積流體的技術(shù)，它能夠在微觀尺度上精確控制流體的流動、混合、分配等行為。通過在芯片上構(gòu)建微小的通道、閥門、反應(yīng)室等結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對生物、化學(xué)等過程的精確控制和分析。
微流控技術(shù)具有體積小、消耗低、通量高、可集成化等優(yōu)點(diǎn)，在生物醫(yī)學(xué)、化學(xué)分析等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。在細(xì)胞培養(yǎng)方面，微流控系統(tǒng)可以為細(xì)胞提供更接近體內(nèi)的微環(huán)境，實(shí)現(xiàn)對細(xì)胞生長、分化、相互作用等過程的精確調(diào)控和監(jiān)測。
精確控制微環(huán)境
微流控系統(tǒng)可以精確調(diào)控細(xì)胞培養(yǎng)的微環(huán)境，如通過控制流體流動來調(diào)節(jié)營養(yǎng)物質(zhì)、生長因子的濃度和分布，模擬體內(nèi)的化學(xué)梯度。還能調(diào)節(jié)微環(huán)境的物理參數(shù)，如剪切應(yīng)力、基質(zhì)剛度等，為 3D 培養(yǎng)的細(xì)胞提供更接近體內(nèi)的生長條件。
實(shí)現(xiàn)高通量和自動化
微流控技術(shù)適合高通量實(shí)驗(yàn)，能夠同時(shí)培養(yǎng)多個(gè)樣本，提高實(shí)驗(yàn)效率。結(jié)合自動化設(shè)備（圖3），可以實(shí)現(xiàn)細(xì)胞接種、培養(yǎng)基更換、數(shù)據(jù)采集等過程的自動化，減少人為誤差，提高實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性和可靠性。
便于集成檢測和分析
微流控芯片可以集成多種檢測和分析功能（圖4），如光學(xué)檢測、電化學(xué)檢測等，能夠?qū)崟r(shí)、原位地監(jiān)測細(xì)胞的生長狀態(tài)、代謝活動、基因表達(dá)等指標(biāo)，為 3D 細(xì)胞培養(yǎng)提供豐富的信息，有助于深入了解細(xì)胞的行為和功能。
04
微流控在細(xì)胞3D培養(yǎng)中的案例
微球封裝細(xì)胞
基于微流控芯片內(nèi)部的微通道網(wǎng)絡(luò)，利用流體力學(xué)原理，將含有細(xì)胞的生物溶液與用于形成微球的材料溶液（如聚合物溶液、水凝膠）在微通道中精確操控和混合。通過調(diào)節(jié)微通道的尺寸、流體流速等參數(shù)，使兩種溶液在特定位置形成微小的液滴或微球結(jié)構(gòu)，細(xì)胞被包裹在這些微球內(nèi)部，隨后經(jīng)過物理或化學(xué)方法使微球固化成型，從而實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的穩(wěn)定包裹 (圖5)。
疾病模型構(gòu)建
在腫瘤研究領(lǐng)域，深入探究腫瘤侵蝕血管的機(jī)制至關(guān)重要，它對于理解腫瘤轉(zhuǎn)移和開發(fā)有效的抗癌療法意義重大。
微流控技術(shù)作為一種前沿技術(shù)，能夠在微小的通道內(nèi)精確操控流體，為模擬生物體內(nèi)微環(huán)境提供了有力手段；而血管化芯片則可構(gòu)建出具有血管結(jié)構(gòu)的微環(huán)境（圖6）。將兩者結(jié)合用于研究腫瘤侵蝕血管時(shí)，首先在微流控芯片上精心構(gòu)建出包含血管結(jié)構(gòu)的三維微環(huán)境，通過精確控制流體，模擬體內(nèi)血液循環(huán)。接著將腫瘤細(xì)胞引入該微環(huán)境中，觀察腫瘤細(xì)胞在血管化芯片上的生長、遷移以及與血管相互作用的過程（圖7）。
研究人員能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測腫瘤細(xì)胞如何突破血管壁、侵入血管內(nèi)部，分析其侵蝕血管的分子機(jī)制和影響因素。這一研究方法不僅克服了傳統(tǒng)研究模型的局限性，還能在微觀層面為腫瘤侵蝕血管的研究提供更精準(zhǔn)、更詳細(xì)的數(shù)據(jù)，有助于推動腫瘤治療領(lǐng)域的新突破。
器官模型構(gòu)建
微流控技術(shù)能在微小通道內(nèi)精確操控流體，皮膚器官芯片則模擬了人體皮膚的結(jié)構(gòu)和功能，二者結(jié)合為皮膚研究帶來了革新。歐萊雅已成功運(yùn)用這一技術(shù)組合，用皮膚芯片替代動物測試。
在這一應(yīng)用中，微流控技術(shù)精準(zhǔn)控制營養(yǎng)物質(zhì)、藥物等流體在皮膚器官芯片中的輸送，模擬皮膚在不同環(huán)境下的生理狀態(tài)。
皮膚器官芯片由多種細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)構(gòu)建，高度還原真實(shí)皮膚組織（圖8）；這一替代不僅避免了動物實(shí)驗(yàn)倫理爭議，還提供了更精準(zhǔn)、更具生理相關(guān)性的測試結(jié)果，以更科學(xué)、更人道的方式評估產(chǎn)品功效與安全性，推動行業(yè)朝著綠色、可持續(xù)方向發(fā)展。
05
在生命科學(xué)快速發(fā)展的時(shí)代，微流控與細(xì)胞3D培養(yǎng)的結(jié)合展現(xiàn)出極為廣闊的前景。未來，隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新，二者融合有望在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)重大突破，例如構(gòu)建高度仿真的人體器官模型，助力疾病機(jī)制的深入研究，為個(gè)性化醫(yī)療方案的制定提供精準(zhǔn)依據(jù)。
在制藥行業(yè)，能夠更高效地篩選和評估藥物，極大縮短新藥研發(fā)周期，降低研發(fā)成本。在組織工程方面，可制造出具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)和功能的人造組織與器官，緩解器官移植供體短缺的困境。
此外，隨著微流控技術(shù)在微尺度操控上的進(jìn)一步優(yōu)化，細(xì)胞3D培養(yǎng)體系的不斷完善，二者的結(jié)合將在生物傳感器開發(fā)、再生醫(yī)學(xué)等新興領(lǐng)域持續(xù)拓展，為解決人類健康問題帶來更多可能，推動整個(gè)生命科學(xué)領(lǐng)域邁向新的高度。
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