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细胞培养中的三维基质 细胞培养中的三维基质 杨文清 11208120 1 三维细胞培养技术( three-dimensional cell culture,TDCC) 是指将具有三维结构不同的载体 与各种不同种类的细胞在体外共同培养, 使细胞 能够在载体的三维立体空间结构中迁移、生长, 构成三维的细胞载体复合物。 2 细胞培养发展史 自W illhelm Roux于1885年从鸡胚中分离细胞首次建立体外 细胞培养, 单层细胞培养技术已有百余年的历史。一个多世纪以 来, 单层细胞培养有了蓬勃的发展, 特别是在制药或者疫苗生产等 产业化领域, 通过细胞的快速增殖, 从而高效率地制造产品。但在 生命科学基础研究领域, 我们对于细胞的体外培养, 关注的不仅仅 是细胞的增殖速度, 而更为重要的是它们经过体外传代培养后能 否维持其在体内增殖所具有的相同性状。在很多情况下, 单层细 胞培养技术所取得的研究结果和细胞在体内生长的情况不符合, 因为细胞在体外环境下增殖,逐渐丧失了原有的性状。动物实验完 全在体内进行, 但由于体内多种因素的制约及体内和外界环境相 互影响使动物实验变得复杂化,难以研究单一过程。另外, 我们在 动物身上所观察到的结果, 往往是最终呈现的表现,而非研究者最 为关心的中间过程。显然, 如何填补单层细胞培养和动物实验的 鸿沟, 一直是生命科学家思索的问题。随着组织工程的新兴发展, 三维细胞培养技术就应运而生了。 3 三维细胞培养亮点 三维培养体系为细胞提供类似体内生长环 境的支架或基质，细胞通过紧密连接和/或缝隙连 接等连接方式建立细胞间及细胞与胞外基质间的 联系，形成一定的三维结构； 三维培养细胞在基因表达、基质分泌及细 胞功能活动等方面与单层培养均有明显差异，而 与体内细胞生长情况更为相似；因此，三维细胞 培养既能保留体内细胞微环境的物质结构基础， 又能体现细胞培养的直观性及条件可控制性，把 体外无细胞及单层细胞培养体系与组织器官及整 体研究联系起来。 4 海藻酸钙凝胶： 海藻酸钙凝胶包埋法是将动物细胞与一定 量的海藻酸钙溶液混合均匀，然后滴到一 定浓度的氯化钙溶液中，形成直径约1mm 的内含动物细胞的海藻酸钙胶珠，分离洗 涤后即可用于培养。此法操作时条件温和 ，对活细胞损伤小。但固定后机械强度不 高。为了大量制备海藻酸钙凝胶包埋的固 定化细胞，国外已有专门的固定喷嘴设备 可供使用。 5 琼脂糖凝胶： 琼脂糖凝胶可用二相法制得。将含有细胞的 琼脂糖溶液分散到一个水部溶相中（如石蜡 油），形成直径约0.2mm的凝胶珠，移去 石蜡油后，细胞即可进行培养。同海藻钙一 样，琼脂糖更适合培养悬浮细胞，尽管凝胶 珠的形成过程很复杂，目前放大体积不足 20L。但琼脂糖凝胶无毒性，具有较大的空 隙，可以允许大分子物质自由扩散，因此该 法适合于蛋白质物质的连续生产。有人曾用 琼脂糖包埋杂交瘤细胞和淋巴细胞生产单克 隆抗体和白细胞介素。 6 血纤维蛋白： 将动物细胞和血纤维蛋白原混合，然后加入 凝血酶。凝血酶将血纤维蛋白原转化为不溶 性的血纤维蛋白，将动物细胞固定在其中。 血纤维蛋白可以促进细胞贴壁，因此两种类 型的细胞都适于培养。而且基质高度多孔， 允许大分子物质自由扩散，但机械强度差， 对剪切力很敏感。 7 血管内皮细胞的三维培养： 在三维培养的情况下 ，内皮细胞通过空间 增殖、迁移和锚定， 可形成管状结构， 比 二维平面培养更适合 用于血管新生的研究 。不同的立体培养模 型可用于不同目的的 研究。 8 三维培养模型因能用于观察血管新生过程的更多 方面，例如内皮细胞的出芽等，因而比二维培养有 更多优点。在三维培养模型中使用合适的三维基质 ，可使激活的内皮细胞长入三维基质,合适的三维基 质包括胶原胶(col lagen gel)、血凝块(pla sma clot)、纤维蛋白胶(fibrin gel)、基底膜基质复合 物(matrigel)， 或者以上几种蛋白质的混合物。 型胶原在三维培养基质中使用最广泛。型胶原是 体内含量最多的细胞外基质蛋白，其酸性可溶成分 被中和后，能在体外37 温度下形成凝胶。将细 胞接种于其表面或其内部，可观察到细胞形态的变 化和管状结构的形成过程。因此这样的培养能模拟 体内的血管新生过程。 9 三维立体培养的方法有多种，常用的有胶内 培养模式(细胞与胶原胶混合)、胶上培养模式( 细胞生长于胶原胶表面)和三明治培养模式(细 胞生长于两层胶原中间)。胶内培养模式可用于 观察血管生成(vasculogenesis)过程， 即模拟 体内血管从无到有的过程。在胶上培养模式和 三明治培养模式中，内皮细胞出芽并形成管腔 ，与血管新生相仿，可模拟体内从原有血管处 发芽生成新血管的过程。除了形态学观察外，