传统的2D培养的细胞间在一定程度上失去了组织联系及相互作用，不能模拟体内微环境和细胞生长状态，使得2D细胞培养模型不能完全满足研究的需要，具有一定的局限性。于是，科研工作者将目光转向更接近体内细胞状态的3D培养模型。细胞球状体（Spheroids）是最常见的3D细胞模型之一，可以自然地形成复杂的细胞-细胞和/或细胞-基质间相互作用，这种结构更接近于生物体内细胞的自然环境，从而更准确地得到体内-体外相关性的结果。
Keywords：3D Cell Culture, Spheroids, Ultra-Low Attachment surface.

细胞3D球状体培养简介

3D细胞培养（3D Cell Culture）是指将具有三维结构的材料与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。3D细胞培养可分为有支架培养和无支架培养。细胞球状体（Spheroids）培养是一种无支架3D细胞培养方法，是最常见的3D细胞模型之一。与传统的2D单层培养模型中的细胞不同，球状体培养可使细胞与细胞聚集成球体，表现出细胞-细胞或细胞-细胞外基质（ECM）相互作用，从而能够更加准确地模拟体内细胞环境。细胞3D球状体模型有以下优势：
1. 体外模拟复杂的组织结构，接近体内细胞生长环境，实现真实的细胞生物学功能。
2. 准确建立靶组织模型，有效预测病程和药物反应。
3. 提高药物筛选和毒理评价的准确性，细胞3D球状体的复杂结构更能反映细胞对药物的反应，因此在药物筛选和毒性测试中能提供更准确的数据。
4. 对于组织工程和再生医学的研究，3D球状体模型提供了更适合的平台，可以用于生物材料的评估、细胞植入体内前的预测性测试等。因此，细胞3D球状体模型对于疾病模型建立、药物筛选、毒理评价、再生医学等方面的探索具有重要意义。

细胞3D球状体模型制备方法

细胞3D球状体（Spheroids）制备常用的有4种方法，即悬滴法（图1A）、磁悬浮法（图1B）、旋转培养（图1C）和超低吸附细胞培养板（图1D）。其中，超低吸附细胞培养板法(Ultra-Low Attachment Plates)操作便捷，对细胞损伤小，是目前最常用的细胞3D球状体培养的方法。

【悬滴法(Hanging Drop)】
简介：细胞通过重力沉积在悬挂液滴的底部，并逐渐形成球状体。将一小滴细胞悬液（体积为10-30μL）种植在微孔板的盖子上，然后将微孔板倒置，使细胞在重力作用下积聚在液滴的底部。
优点：具有高通量制备细胞球状体的潜力。
缺点：悬滴法通常涉及小体积液体操作，定期更换培养基和细胞染色都需要较高的实验操作技能。此外，它耗时且劳动密集，难以实现3D多细胞球体的长期培养。

【磁悬浮法(Magnetic-based levitation)】
简介：利用磁场将含有纳米颗粒的氧化铁细胞团簇在一起形成球状体。
优点：可控制细胞群的几何形状，能实现不同种细胞在共培养过程中的多细胞聚集。
缺点：细胞球体的大小和形状难以控制，均匀性差。

【旋转培养(Spinner Flasks )】
简介：通过模拟微重力将细胞保持在动态液体中。沿其水平轴旋转培养容器以完全混合细胞。通过调节反应器的速度，可以将流体冲击力和剪切力降至最低。形成3D细胞球体后，反应器继续以特定速度旋转，以防止球体相互聚结。
优点：可模拟人体内的动态条件，适用于细胞的长期培养，便于大规模生产等。
缺点：培养系统依赖性大，培养对象只能是各相同性的组织和器官，如软骨、肝等，不适于各相异性的组织器官。

【超低吸附细胞培养板(Ultra-Low Attachment Plates)】
简介：超低吸附板中的低吸附力促进细胞自聚成球体，尽可能的降低细胞贴附、蛋白吸收和酶活性，维持细胞以悬浮不贴壁的状态生长。
优点：超低吸附表面培养方法方便简洁，可实现3D球体的长期培养和异质细胞的共培养。
缺点：对细胞活性要求较高，并不适用于所有细胞形成细胞球。

图1 细胞球状体培养示意图（来源：Biofabrication、Nat Nanotechnol&Nanomaterials）

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参考文献：
[1] Decarli MC, Amaral R, Santos DPD, Tofani LB, Katayama E, Rezende RA, Silva JVLD, Swiech K, Suazo CAT, Mota C, Moroni L, Moraes ÂM. Cell spheroids as a versatile research platform: formation mechanisms, high throughput production, characterization and applications. Biofabrication. 2021, 8;13(3).
[2] Souza, G., Molina, J., Raphael, R. et al. Three-dimensional tissue culture based on magnetic cell levitation. Nat Nanotechnol. 2010, 5, 291–296.
[3]   Van Zundert, Indra, Beatrice Fortuni, and Susana Rocha. From 2D to 3D Cancer Cell Models—The Enigmas of Drug Delivery Research. Nanomaterials. 2020, 10(11):2236.
[4]   卢晓琴，刘晓凤，钟浩，等. 三维细胞培养技术及其应用进展[J]．生物医学工程学杂志，2023，40(3):602-608.

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