3D细胞培养：市场和产业需求（上）

微流控芯片

​​所有活的组织都是由细胞组成的。为了研究细胞，科学家将它们从原始组织中分离出来，并在受控的人工环境中生长：这就是所谓的细胞培养。它于1907年首次使用，此后在生物医学实验室中变得无处不在。细胞研究已经从2D表面进行到3D配置，以更接近它们在体内的自然3D栖息地：这就是我们所说的3D细胞培养。

1.3D细胞培养的目的在这份报告中，我们确定了3D手机市场的以下两个主要目的：1.细胞疗法，或称再生医学，包括将生长的细胞移植到患者体内以修复受损组织。这个领域包括几个研究领域，如图1所示。

2. 用于药物发现的三维体外建模，旨在创建模拟活组织的三维细胞模型，以便大部分研究和药物发现可以在体外进行，而不是在动物(或人类)身上进行。3D体外模型用于临床试验前药物发现的不同阶段，如图2所示。

应该指出的是，细胞培养的另一个基本目标通常是使用细胞产生病毒或抗体。然而，这传统上是通过2D细胞培养实现的，除了增加产量之外，几乎没有动力转向真正的3D细胞培养形式；因此，本报告仅简要提到这一点。

联合市场研究公司估计，截至2015年，全球3D手机市场规模为7.65亿美元，预计2022年将增长30%，达到4.691亿美元。他们将市场分为4类：药物发现、癌症研究、再生医学和干细胞研究。根据我们更广泛的分类，我们认为干细胞研究的一部分与再生医学一起涉及细胞治疗。这是因为干细胞可以在体外分化为所需的细胞类型，然后重新植入修复组织。另一方面，我们认为，虽然癌症和干细胞研究是它们自己的主要参与者，但它们本质上在开发3D体外模型的努力中发挥了作用。因此，我们发现大部分市场为药物发现的3D体外建模做出了贡献(图3)。这在很大程度上是由癌症研究的重大推动推动的，而这本身也是由于世界各地癌症发病率的上升而被迫的。

2.3D细胞培养芯片产品种类根据联合市场研究，3D细胞培养产品有以下不同的形式(有时可以组合)：

​3D多孔支架：细胞生长在1-工程支架或2-天然衍生纤维材料(如胶原蛋白或层粘连蛋白)的毛孔内。

​无支架平台：细胞在没有支架支持的情况下形成多细胞结构，要么自己形成(例如球体、细胞体)，要么使用细胞片技术。

​微芯片：细胞被放置在微芯片隔间内，以形成结构更复杂的细胞微环境，类似于器官(即芯片上的器官)。

​水凝胶：细胞被嵌入到细胞外基质的3D凝胶中，如Matrigel。

​生物反应器：生物反应器是在局部控制灌流、温度、湿度和气体交换等因素的中空圆柱室。细胞被放置在这些生物反应器内的支架中，以促进3D细胞培养。

​定制化服务：企业直接为研究人员定制产品。

此外，3D生物打印可以被认为是3D细胞培养的另一种新兴格式，这是一种能够“打印”或将细胞和生物材料逐层定位到所需配置的技术。在所有产品中，基于支架的平台和微芯片被确定为该领域最大的投资口袋(图4)。支架产生了最多的收入，因为它们正在成为细胞治疗和药物发现的关键，也因为越来越多的材料被表征。微芯片将经历显著的增长，因为芯片上的器官将填补创造强大的临床前模型的空白。请注意，支架和微芯片的生长可能是协同的，因为芯片上的器官通常依赖于支架的使用，如水凝胶。

3. 谁对3D细胞培养感兴趣？联合市场研究公司估计，2015年美国是3D细胞培养市场最大的参与者，占市场的41%，欧洲占29%，亚太地区占19%，巴西、南非和沙特阿拉伯占11%(图5)。他们估计，到2022年，美国和欧洲在市场上的重要性之间的差距将会缩小，美国将占35.3%，紧随其后的是欧洲，占31.5%。参与3D细胞培养市场的终端用户主要有三类：生物技术和制药公司、学术实验室和合同研究实验室。到2022年，它们的贡献将以类似的速度发展。通常，基础科学是由学术界发起的，但制药公司将科学发现与药物和过程化学、药代动力学和安全性科学联系起来。据估计，67-97%的药物开发是由私营公司进行的。

4. 为什么要在3D培养方向发力？

答案很简单：因为在正常环境中，细胞以三维方式进化！现在已经确定，细胞在3D中的行为与在2D中的行为截然不同。当3D细胞对药物的反应与2D细胞不同时，该领域出现了一个转折点，证明了3D细胞培养对药物测试至关重要。简而言之，在3D模式下培养细胞可以使细胞采用与体内相似的形态和迁移模式。重述细胞的正常形态很重要，因为它们的形状可以直接影响它们的生物活性。在体外忠实地复制迁移模式也是至关重要的，因为细胞迁移是许多疾病(如癌症)的中心过程，可以作为药物靶点。更广泛地说，在3D模式中放置细胞可以有效地增加它们与周围环境的互动程度。它迫使它们通过整个表面积与微环境(无论是支架、水凝胶还是其他细胞)进行更多的相互作用，就像它们在组织中所做的那样。这是非常重要的，因为现在已经知道，细胞与其ECM和微环境的相互作用对于许多细胞功能是必不可少的。此外，3D支持系统提供了物理和生化锚定，可以通过工程设计来复制体内条件。组成细胞外基质的硬度、孔径或配体都可以进行微调，以与感兴趣的组织相似。最后，3D细胞培养允许形成和研究更复杂的多细胞结构，如球体、细胞器或微血管系统。

虽然这些都是亟需的改进，但转向第三维度实际上打开了许多其他维度的探索。在接下来的综述中，我们总结了3D细胞培养的前景，并揭示了3D细胞培养成为生物医学领域中更高产量、更安全和更好标准化的技术所需满足的需求。

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