3D细胞培养是在模拟组织和器官结构的三维环境中培养细胞，使细胞能够在三维空间中生长并与周围环境相互作用。
这项技术的出现弥补了2D培养中细胞与细胞外基质(ECM)互动的不足。
1. 3D细胞培养模型
3D细胞培养技术的关键基础之一是细胞外基质（ECM）。ECM由多种细胞外分泌蛋白（如胶原蛋白、弹性蛋白、层粘连蛋白和糖胺聚糖等）以及细胞结合因子（如CD44和整合素等）构成，形成一个复杂的网络结构。
ECM不仅为细胞提供重要的结构支持，还参与调控细胞的生长、迁移、分化、存活及稳态，指导组织的形态发生。
通过在体外重建ECM，3D细胞培养能够模拟体内环境，促进细胞形成类似体内组织的三维结构。
这种技术使细胞能在更复杂的形态中生长，因此基因表达更接近体内状态，并具有组织特异性，能够更真实地反映体内组织的生理特征，提供与体内相关的数据。
与2D培养相比，3D培养在细胞形态、迁移及基因表达等方面有显著差异。
间充质干细胞（MSC）是一类来源于骨髓、脐带或脂肪等组织的体细胞，具有很大的细胞治疗潜力，但由于其有限的分裂次数，最终会经历复制性衰老，导致细胞凋亡。
2. 3D培养模型的类型及构建方法
1) 有支架的3D培养模型
基于支架的3D细胞培养利用天然或合成聚合物来模拟体内细胞外基质（ECM）的环境，从而促进细胞的生长和增殖。
这些支架需要具备特定的化学成分、孔隙度和机械性能，以适应细胞的异质性并促进细胞与细胞、细胞与ECM之间的相互作用，有助于细胞的增殖、迁移、分化和黏附，最终在体外形成类似体内结构和功能的球状体或类器官。
天然支架材料包括海藻酸盐、琼脂、明胶、胶原蛋白、丝素蛋白等，它们与细胞具有良好的生物相容性，并能通过提供体内类似的基质环境，分泌生长因子和信号分子来调节细胞行为。
然而，天然材料的局限性也很明显，诸如批次间的差异、纯度不一、可重复性差、灭菌困难等问题。
为了解决这些问题，研究者开发了包括热解碳、聚乙烯醇、聚己内酯、聚乙二醇等在内的合成聚合物作为支架材料，这些材料的可控性较强，可以精确调节其参数，但通常缺乏天然材料的生物相容性。
目前，许多3D培养系统采用的是天然与合成材料的复合支架。
合成聚合物能够调节细胞的粘附性，增强细胞的铺展、增殖、分化和迁移能力，从而弥补天然材料可控性差的不足，并改善人工合成材料的生物相容性。
2) 无支架的3D培养模型
无支架3D细胞培养技术主要依赖细胞的自聚集特性，通过特定的培养条件促使细胞形成球状聚集体。
这些条件包括使用低附着力材料或超低附着（ULA）培养板等，使细胞能够相互聚集并形成三维结构。
细胞球体的大小通常可以通过调整接种的细胞量和液滴体积来控制。
无支架培养方法包括超低附着板、颗粒培养法、悬挂掉落法、磁悬浮法以及生物反应器等，它们各自会产生不同形态的3D细胞培养物。
颗粒培养法是一种简单的3D培养技术，细胞悬浮液通过离心浓缩后形成颗粒球，这些颗粒在培养基中悬浮，有助于增加细胞间的粘附力，从而促进球状体的形成。
悬挂掉落法则是将2D培养后的细胞制成悬液，接种到迷你托盘的液滴中，然后将托盘倒置，借助重力和表面张力使细胞在液滴中自聚集形成3D球状体。
此法可以通过调节液滴大小和细胞悬液浓度来控制球体的尺寸。
磁悬浮法则通过将细胞与磁性纳米颗粒混合，在外部磁场的作用下，磁力、重力和浮力达到平衡，使细胞悬浮在培养基中，促进细胞的组装和相互作用，最终形成细胞聚集体。
生物反应器技术包括旋转瓶和旋转壁容器系统。
旋转瓶通过电机驱动叶轮旋转，将细胞与培养基混合并防止细胞沉积，但系统产生的流体剪切力可能对细胞有一定影响，因此需要精确调控转速。
旋转壁容器则通过旋转产生微重力和低剪切力，细胞在其中悬浮并聚集成球状体。
无支架培养系统主要利用细胞的聚集性，通过不同方式抑制细胞与培养板的附着，使细胞能够自我聚集并形成三维结构。
相比之下，有支架的3D培养系统则通过提供结构支撑模拟体内ECM环境，促进细胞与基质的互动，从而形成更为复杂的类器官。
3D细胞培养没有固定的操作步骤，技术方法多种多样。
除了支架或自聚集特性外，3D细胞培养还与微流控技术结合，形成微流控芯片或生物打印技术，展示出巨大的生命科学研究潜力。
无支架和有支架的培养系统各有优势与局限：无支架系统操作简便，适合用于简单的球状体培养；而有支架系统则能培养更复杂的3D细胞模型，模拟体内的ECM环境，支持组织生成和类器官的形成。
3. 3D细胞培养技术的应用
研究表明，利用3D培养技术构建的类肿瘤模型能够重现肿瘤的关键特征，如肿瘤微环境、细胞间以及细胞与ECM的相互作用，这为深入研究癌症的发生、进展及耐药性复发等机制提供了重要平台。
目前，3D细胞培养技术已成功应用于乳腺癌、结肠癌、皮肤癌、巨噬细胞等相关肿瘤细胞的建模。
这些模型对药物研发、治疗效果评估、个性化治疗方案的制定以及免疫治疗研究具有重要意义。
干细胞具有强大的分化潜力，研究人员通过3D细胞培养技术成功培育干细胞，构建了脑类器官、脂肪类器官、骨类器官和毛囊类器官等模型，用于研究疾病机制、组织发育以及作为细胞和组织移植的替代来源。
细胞外囊泡是干细胞通过旁分泌途径产生的脂质双层颗粒，是干细胞疗法的一种替代方案。
利用3D细胞培养技术培养干细胞不仅能提高细胞外囊泡的产量和活性，还能增加其含量，从而增强治疗效果。
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