传统的二维单层培养将细胞压扁在塑料表面，改变了它们的形态、信号传导和药物反应。三维培养系统通过允许细胞在三维空间中进行细胞间和细胞与基质间的相互作用，更好地模拟体内环境。

为什么要用三维培养？

单层培养迫使细胞粘附在刚性的平坦表面上。这会改变它们的细胞骨架组织、核形状和基因表达。三维培养可以恢复：

• 自然的细胞间连接和极性。
• 氧气、营养物质和药物的扩散梯度。
• 调节增殖和存活能力的细胞外基质（ECM）相互作用。
• 对二维单层有效化疗药物的耐药性。

球体培养

球体是简单的三维细胞聚集体，直径通常为 200–500 µm。其形成方式包括：

• 悬滴法：细胞悬浮在培养皿盖上的液滴中，在重力作用下聚集在液滴底部。
• 超低吸附（ULA）板：涂有亲水性聚合物的圆底板阻止细胞贴附，迫使细胞在每个孔中聚集成单个球体。
• 磁悬浮法：细胞与磁性纳米颗粒孵育，利用磁场组装成球体。

球体超过 400–500 µm 时会产生坏死核心，模拟实体肿瘤的缺氧、营养耗竭核心。这使得它们对于研究抗癌药物的渗透性和耐药性非常有用。

类器官

类器官是由干细胞衍生而成的自组织三维结构，能够重现器官的结构和功能。它们比球体更复杂，包含以组织样模式排列的多种分化细胞类型。

类器官在基底膜提取物（Matrigel、BME）中生长，并补充有特定的生长因子混合物。常见的类器官类型包括：

• 肠道类器官：在隐窝-绒毛结构中包含所有肠道上皮细胞类型（肠细胞、杯状细胞、潘氏细胞、肠内分泌细胞）。
• 脑类器官：具有皮层层次的自组织神经组织。
• 肿瘤类器官：来源于患者肿瘤，用于药敏测试和个性化医疗。
• 肝脏、肾脏、胰腺、视网膜类器官：已针对特定器官建立。

支架与水凝胶

天然 ECM 成分（I 型胶原、Matrigel、纤维蛋白）或合成水凝胶（PEG、海藻酸盐）为细胞生长提供三维支架。基质的硬度、孔隙率和配体密度影响细胞行为。与 Matrigel（动物来源、批次差异大）相比，合成水凝胶提供了更明确、更可重复的基质。

三维培养检测

标准细胞检测需要针对三维培养进行调整：

• 活力检测：基于 ATP 的检测（CellTiter-Glo 3D）针对球体改进了裂解和检测效果。
• 成像：需要共聚焦或多光子显微镜才能对结构厚度进行成像。
• 药物渗透：荧光标记的药物可以在扩散通过球体时被可视化。
• 侵袭：嵌入胶原或 Matrigel 中的球体可以监测其侵袭性向外生长。