微流控专题—微流控与细胞3D培养

非诚勿扰孟非

2D细胞培养的局限性

细胞培养开始于 19 世纪末，在过去一个世纪中，维持和分析贴壁细胞系最流行的方法是 2D 或单层培养，但科学家们一直试图解决一个问题，如何让细胞在体外活的更真实呢？2D细胞培养像是“细胞住平板房”（图1），但真实的人体是“细胞住立体社区”（图2） ，而细胞3D培养是一种将细胞在三维空间进行培养的技术，能更好的在体外模拟体内环境，弥补了传统2D细胞培养的不足。



图1 2D细胞培养



图2 3D细胞培养

01细胞形态和功能受限
在 2D 培养中，细胞被限制在平面上生长，呈现扁平、细长的形态，与体内细胞的自然形状差异较大。细胞的极性会发生改变，影响其正常功能，且细胞只能在二维空间扩展，无法形成三维的细胞 - 细胞和细胞 - 基质相互作用，难以准确模拟体内组织细胞的真实环境。
02细胞与微环境交互不足
2D 培养中细胞对培养基中营养物质和生长因子的摄取方式与体内不同，所有细胞接收到的营养和因子基本相同，缺乏体内复杂的化学梯度。细胞与细胞外基质（ECM）的相互作用也被简化，无法体现体内细胞与 ECM 离散连接的特点，影响细胞的信号传导、增殖和分化等过程。
03实验结果与体内情况差异大
由于上述原因，2D 培养在药物敏感性、细胞增殖速率、基因和蛋白质表达水平等方面与体内模型存在显著差异。在药物测试中，2D 培养的细胞往往对药物更敏感，导致对药物疗效的评估不准确，难以反映药物在体内的真实效果，增加了药物研发的风险和成本。
为何需要让细胞在三维空间生长

01模拟体内真实环境
体内细胞处于复杂的三维环境中，与周围细胞和 ECM 紧密相互作用。3D 培养能够更好地模拟这种环境，使细胞呈现自然的形态和极性，有利于细胞间的信号传导和物质交换，更准确地反映细胞在体内的行为和功能，如细胞的增殖、分化、迁移等过程。
02提高实验准确性
在药物研发、疾病研究等领域，3D 培养的细胞对药物的反应更接近体内情况，能够提供更可靠的实验数据。通过 3D 培养可以更准确地评估药物的疗效和毒性，减少动物实验的需求，提高研究效率和成功率。
03深入研究细胞行为和疾病机制
3D 培养有助于研究细胞在复杂环境中的行为，如肿瘤细胞的侵袭和转移、干细胞的分化调控等。对于理解疾病的发生、发展机制，以及开发新的治疗方法具有重要意义。
微流控是细胞 3D 培养完美拍档

微流控概念

微流控是一种操控微小体积流体的技术，它能够在微观尺度上精确控制流体的流动、混合、分配等行为。通过在芯片上构建微小的通道、阀门、反应室等结构，实现对生物、化学等过程的精确控制和分析。微流控技术具有体积小、消耗低、通量高、可集成化等优点，在生物医学、化学分析等领域有广泛应用。在细胞培养方面，微流控系统可以为细胞提供更接近体内的微环境，实现对细胞生长、分化、相互作用等过程的精确调控和监测。
微流控在细胞3D培养中的作用

01精确控制微环境
微流控系统可以精确调控细胞培养的微环境，如通过控制流体流动来调节营养物质、生长因子的浓度和分布，模拟体内的化学梯度。还能调节微环境的物理参数，如剪切应力、基质刚度等，为 3D 培养的细胞提供更接近体内的生长条件。
02实现高通量和自动化
微流控技术适合高通量实验，能够同时培养多个样本，提高实验效率。结合自动化设备（图3），可以实现细胞接种、培养基更换、数据采集等过程的自动化，减少人为误差，提高实验的可重复性和可靠性。



图3 高通量微球分配系统

03便于集成检测和分析
微流控芯片可以集成多种检测和分析功能（图4），如光学检测、电化学检测等，能够实时、原位地监测细胞的生长状态、代谢活动、基因表达等指标，为 3D 细胞培养提供丰富的信息，有助于深入了解细胞的行为和功能。



图4 基于传感器的细胞培养检测系统

微流控在细胞3D培养中的应用案例

01微球封装细胞：
基于微流控芯片内部的微通道网络，利用流体力学原理，将含有细胞的生物溶液与用于形成微球的材料溶液（如聚合物溶液、水凝胶）在微通道中精确操控和混合。通过调节微通道的尺寸、流体流速等参数，使两种溶液在特定位置形成微小的液滴或微球结构，细胞被包裹在这些微球内部，随后经过物理或化学方法使微球固化成型，从而实现细胞的稳定包裹（图5）。



图5 微球封装细胞流程示意图

02疾病模型构建
在肿瘤研究领域，深入探究肿瘤侵蚀血管的机制至关重要，它对于理解肿瘤转移和开发有效的抗癌疗法意义重大。微流控技术作为一种前沿技术，能够在微小的通道内精确操控流体，为模拟生物体内微环境提供了有力手段；而血管化芯片则可构建出具有血管结构的微环境（图6）。将两者结合用于研究肿瘤侵蚀血管时，首先在微流控芯片上精心构建出包含血管结构的三维微环境，通过精确控制流体，模拟体内血液循环。接着将肿瘤细胞引入该微环境中，观察肿瘤细胞在血管化芯片上的生长、迁移以及与血管相互作用的过程（图7）。研究人员能够实时监测肿瘤细胞如何突破血管壁、侵入血管内部，分析其侵蚀血管的分子机制和影响因素。这一研究方法不仅克服了传统研究模型的局限性，还能在微观层面为肿瘤侵蚀血管的研究提供更精准、更详细的数据，有助于推动肿瘤治疗领域的新突破。



图6 血管化芯片



图7 肿瘤侵袭血管模型

03器官模型构建
微流控技术能在微小通道内精确操控流体，皮肤器官芯片则模拟了人体皮肤的结构和功能，二者结合为皮肤研究带来了革新。欧莱雅已成功运用这一技术组合，用皮肤芯片替代动物测试。在这一应用中，微流控技术精准控制营养物质、药物等流体在皮肤器官芯片中的输送，模拟皮肤在不同环境下的生理状态。皮肤器官芯片由多种细胞和细胞外基质构建，高度还原真实皮肤组织（图8）。这一替代不仅避免了动物实验伦理争议，还提供了更精准、更具生理相关性的测试结果，以更科学、更人道的方式评估产品功效与安全性，推动行业朝着绿色、可持续方向发展。



图8 皮肤器官芯片模型构建

未来展望

在生命科学快速发展的时代，微流控与细胞 3D 培养的结合展现出极为广阔的前景。未来，随着技术的不断创新，二者融合有望在医学领域实现重大突破，例如构建高度仿真的人体器官模型，助力疾病机制的深入研究，为个性化医疗方案的制定提供精准依据。在制药行业，能够更高效地筛选和评估药物，极大缩短新药研发周期，降低研发成本。在组织工程方面，可制造出具有复杂结构和功能的人造组织与器官，缓解器官移植供体短缺的困境。此外，随着微流控技术在微尺度操控上的进一步优化，细胞 3D 培养体系的不断完善，二者的结合将在生物传感器开发、再生医学等新兴领域持续拓展，为解决人类健康问题带来更多可能，推动整个生命科学领域迈向新的高度。

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