在細(xì)胞培養(yǎng)的微觀世界里，一場(chǎng)技術(shù)變革正悄然進(jìn)行。長(zhǎng)久以來(lái)，傳統(tǒng)二維培養(yǎng)方式因無(wú)法精準(zhǔn)模擬細(xì)胞在體內(nèi)的真實(shí)微環(huán)境，導(dǎo)致細(xì)胞表型失真，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與臨床實(shí)際情況出入較大，臨床轉(zhuǎn)化率不高。如今，三維 ECM 培養(yǎng)技術(shù)嶄露頭角，通過(guò)重建細(xì)胞外基質(zhì)的生化與物理特性，為細(xì)胞構(gòu)建出更貼近體內(nèi)環(huán)境的生存微環(huán)境，讓細(xì)胞展現(xiàn)出接近體內(nèi)的基因表達(dá)、代謝響應(yīng)和藥物敏感性，逐漸成為腫瘤研究、干細(xì)胞治療和藥物篩選等領(lǐng)域的新方向。那么，三維 ECM 培養(yǎng)技術(shù)究竟憑借哪些核心突破，成功攻克細(xì)胞表型失真這一難題？全球?qū)嶒?yàn)室又在如何利用這一技術(shù)開(kāi)辟新的研究路徑呢？讓我們一同深入探尋。
在三維 ECM 培養(yǎng)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程中，脫細(xì)胞 ECM（dECM）技術(shù)猶如一顆閃耀的明星，展現(xiàn)出的魅力。華西醫(yī)學(xué)院的科研團(tuán)隊(duì)巧妙利用 dECM 制造微圖案陣列芯片，這一創(chuàng)新之舉堪稱(chēng)細(xì)胞培養(yǎng)領(lǐng)域的一大創(chuàng)舉。細(xì)胞在這個(gè)精心打造的 “微世界” 里，存活率大幅提升，基因穩(wěn)定性如同堡壘般穩(wěn)固，藥物代謝功能也顯著增強(qiáng)。這一技術(shù)的應(yīng)用，成功破解了傳統(tǒng) 3D 培養(yǎng)中細(xì)胞球尺寸不均的難題，為后續(xù)的細(xì)胞研究奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
在癌癥研究領(lǐng)域，脫細(xì)胞胃癌 ECM 支架的出現(xiàn)，仿佛為科學(xué)家們打開(kāi)了一扇通往癌癥奧秘深處的大門(mén)。它成功復(fù)現(xiàn)了膠原重組過(guò)程，如同一場(chǎng)精彩的微觀過(guò)程，讓科學(xué)家們得以清晰地觀察到膠原剛度在胃癌進(jìn)展中所扮演的關(guān)鍵角色。原來(lái)，膠原剛度如同一只無(wú)形的大手，通過(guò)調(diào)控免疫抵抗和癌細(xì)胞遷移，推動(dòng)胃癌不斷惡化。這一發(fā)現(xiàn)意義非凡，為靶向膠原代謝的藥物開(kāi)發(fā)搭建了理想的平臺(tái)，為癌癥治療帶來(lái)了新的希望。
高精度生物 3D 打印技術(shù)在三維 ECM 培養(yǎng)中同樣大放異彩。賀永教授團(tuán)隊(duì)通過(guò) 3D 打印構(gòu)建出曲率可控的纖維網(wǎng)格支架，這一成果猶如在微觀世界里搭建了一座精密的 “微觀城市”。在這個(gè) “城市” 中，研究人員驚奇地發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞仿佛有了自主意識(shí)，優(yōu)先遷移至低曲率區(qū)域（>20μm 直徑纖維），并且沿著纖維軸向有序排列。這一奇妙現(xiàn)象的背后，隱藏著 ECM 物理形貌通過(guò)細(xì)胞內(nèi)應(yīng)力調(diào)控基因表達(dá)的全新機(jī)制，為我們理解細(xì)胞行為提供了嶄新的視角。
韓國(guó)團(tuán)隊(duì)的研究成果同樣令人矚目，他們將脫細(xì)胞胰腺基質(zhì)（pdECM）與基底膜蛋白巧妙結(jié)合，利用生物打印技術(shù)構(gòu)建出胰島 - 血管復(fù)合結(jié)構(gòu)（HICA-V）。這一創(chuàng)新結(jié)構(gòu)的誕生，仿佛為干細(xì)胞源性胰島注入了強(qiáng)大活力，使其葡萄糖響應(yīng)能力大幅提升 3.8 倍。更令人欣喜的是，該模型能夠成功模擬糖尿病病理及藥物響應(yīng)。
哈爾濱醫(yī)科大學(xué)開(kāi)發(fā)的磁響應(yīng)藻酸鹽水凝膠 4D 動(dòng)態(tài)培養(yǎng)系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)能夠通過(guò)電磁場(chǎng)模擬舌體運(yùn)動(dòng)，為細(xì)胞研究構(gòu)建出動(dòng)態(tài)環(huán)境。研究發(fā)現(xiàn)，在特定的 ECM 硬度（0.137MPa）與機(jī)械壓力協(xié)同作用下，RET/Y1062 磷酸化被成功激活，進(jìn)而使舌鱗癌的侵襲能力提升了 3.2 倍。這一研究成果不僅揭示了力學(xué)因素在癌癥發(fā)展中的重要作用，更為力學(xué)靶向療法的研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，讓我們?cè)诠タ税┌Y的道路上又邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。
在胰腺癌藥物篩選領(lǐng)域，一套基于 Nat Commun 方案的標(biāo)準(zhǔn)化操作流程，開(kāi)始是基質(zhì)制備環(huán)節(jié)，研究人員將肽兩親物（PA）與 ECM 組分（層粘連蛋白、IV 型膠原）進(jìn)行共組裝，如同搭建起穩(wěn)固的 “大廈” 框架，形成 PA-ECM 水凝膠。隨后，在細(xì)胞接種階段，他們將患者來(lái)源的胰腺癌細(xì)胞與癌癥相關(guān)成纖維細(xì)胞（CAFs）按照 5：1 的精準(zhǔn)比例嵌入凝膠之中，精心構(gòu)建出多細(xì)胞的微環(huán)境。在藥效評(píng)估時(shí)，令人驚喜的是，相比類(lèi)器官模型，該體系對(duì)吉西他濱的響應(yīng)準(zhǔn)確度提升了 40%，并且成功保留了癌癥干細(xì)胞（CSC）特性，為胰腺癌藥物篩選提供了更為精準(zhǔn)、有效的方法。
三陰性乳腺癌耐藥性研究一直是醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的重點(diǎn)和難點(diǎn)，而在這一研究中，不同的三維 ECM 培養(yǎng)模型發(fā)揮著重要作用。球狀體模型通過(guò)將 MDA-MB-231 細(xì)胞與 CAFs 共培養(yǎng)，成功發(fā)現(xiàn) CD146-RhoA 通路激活 EMT 這一關(guān)鍵耐藥機(jī)制；微流控芯片利用動(dòng)態(tài)灌注 CXCL12 因子，揭示了 CAFs 誘導(dǎo) M2 巨噬細(xì)胞極化與耐藥性的關(guān)聯(lián)；3D 生物打印支架則通過(guò)整合素 β1-FAK 通路抑制劑篩選，發(fā)現(xiàn)基質(zhì)剛度驅(qū)動(dòng)紫杉醇耐藥的奧秘。這些研究成果如同一塊塊拼圖，逐漸拼湊出三陰性乳腺癌耐藥性的復(fù)雜機(jī)制，為攻克這一難題提供了豐富的線(xiàn)索和方向。
在三維 ECM 培養(yǎng)中，維持細(xì)胞活性是一個(gè)至關(guān)重要的問(wèn)題，而微凝膠技術(shù)為這一難題提供了創(chuàng)新的解決方案。伊利諾伊大學(xué)開(kāi)發(fā)的聚乙二醇微凝膠陣列，就像一個(gè)微觀的 “細(xì)胞游樂(lè)場(chǎng)”。研究人員可以通過(guò)調(diào)節(jié)其硬度（2-20kPa），如同調(diào)整游樂(lè)場(chǎng)設(shè)施參數(shù)一般，高通量篩選肝星狀細(xì)胞的最佳活化條件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果令人振奮，在 6kPa 纖維連接蛋白微凝膠環(huán)境下，細(xì)胞代謝活性提升了 200%，如同被點(diǎn)燃的火焰，為細(xì)胞培養(yǎng)中的活性維持提供了新的思路和方法。
多模態(tài)成像技術(shù)為解析三維 ECM 培養(yǎng)中的復(fù)雜微環(huán)境提供了一雙強(qiáng)大的 “透視眼”。它巧妙地結(jié)合熒光顯微鏡、二次諧波成像（SHG）和質(zhì)譜等多種技術(shù)手段，能實(shí)時(shí)追蹤 3D 膠原支架中成纖維細(xì)胞的樹(shù)突突起與 ECM 間的相互作用，分辨率高達(dá) 250nm。這就好比擁有了一臺(tái)超級(jí)顯微鏡，能夠深入到微觀世界的細(xì)節(jié)之中，讓我們對(duì)細(xì)胞與微環(huán)境之間的微妙關(guān)系有了更清晰、深入的認(rèn)識(shí)。
諾丁漢大學(xué)利用生物工程基質(zhì)構(gòu)建的可調(diào)自組裝平臺(tái)，在成本控制和標(biāo)準(zhǔn)化方面展現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢(shì)。這個(gè)平臺(tái)就像一個(gè)高效的 “細(xì)胞工廠”，能夠?qū)⒒颊咴葱阅[瘤模型構(gòu)建周期大幅縮短至 72 小時(shí)，藥物測(cè)試周轉(zhuǎn)時(shí)間較 PDX 模型縮短了 80%。這一成果不僅提高了研究效率，還降低了研究成本，為三維 ECM 培養(yǎng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用提供了有力支持。
蘇州阿爾法生物針對(duì)三維 ECM 培養(yǎng)中的培養(yǎng)基，細(xì)胞培養(yǎng)耗材，實(shí)驗(yàn)設(shè)備等提供了一系列完善的解決方案。
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