在細胞培養(yǎng)的微觀世界里，一場技術(shù)變革正悄然進行。長久以來，傳統(tǒng)二維培養(yǎng)方式因無法精準模擬細胞在體內(nèi)的真實微環(huán)境，導致細胞表型失真，實驗結(jié)果與臨床實際情況出入較大，臨床轉(zhuǎn)化率不高。如今，三維 ECM 培養(yǎng)技術(shù)嶄露頭角，通過重建細胞外基質(zhì)的生化與物理特性，為細胞構(gòu)建出更貼近體內(nèi)環(huán)境的生存微環(huán)境，讓細胞展現(xiàn)出接近體內(nèi)的基因表達、代謝響應(yīng)和藥物敏感性，逐漸成為腫瘤研究、干細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，成功攻克細胞表型失真這一難題？全球?qū)嶒炇矣衷谌绾卫眠@一技術(shù)開辟新的研究路徑呢？讓我們一同深入探尋。
在三維 ECM 培養(yǎng)技術(shù)的發(fā)展進程中，脫細胞 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)學院的科研團隊巧妙利用 dECM 制造微圖案陣列芯片，這一創(chuàng)新之舉堪稱細胞培養(yǎng)領(lǐng)域的一大創(chuàng)舉。細胞在這個精心打造的 “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。這一技術(shù)的應(yīng)用，成功破解了傳統(tǒng) 3D 培養(yǎng)中細胞球尺寸不均的難題，為后續(xù)的細胞研究奠定了堅實基礎(chǔ)。
在癌癥研究領(lǐng)域，脫細胞胃癌 ECM 支架的出現(xiàn)，仿佛為科學家們打開了一扇通往癌癥奧秘深處的大門。它成功復現(xiàn)了膠原重組過程，如同一場精彩的微觀過程，讓科學家們得以清晰地觀察到膠原剛度在胃癌進展中所扮演的關(guān)鍵角色。原來，膠原剛度如同一只無形的大手，通過調(diào)控免疫抵抗和癌細胞遷移，推動胃癌不斷惡化。這一發(fā)現(xiàn)意義非凡，為靶向膠原代謝的藥物開發(fā)搭建了理想的平臺，為癌癥治療帶來了新的希望。
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。賀永教授團隊通過 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 “城市” 中，研究人員驚奇地發(fā)現(xiàn)，細胞仿佛有了自主意識，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 物理形貌通過細胞內(nèi)應(yīng)力調(diào)控基因表達的全新機制，為我們理解細胞行為提供了嶄新的視角。
韓國團隊的研究成果同樣令人矚目，他們將脫細胞胰腺基質(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 - 血管復合結(jié)構(gòu)（HICA-V）。這一創(chuàng)新結(jié)構(gòu)的誕生，仿佛為干細胞源性胰島注入了強大活力，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)科大學開發(fā)的磁響應(yīng)藻酸鹽水凝膠 4D 動態(tài)培養(yǎng)系統(tǒng)，這個系統(tǒng)能夠通過電磁場模擬舌體運動，為細胞研究構(gòu)建出動態(tài)環(huán)境。研究發(fā)現(xiàn)，在特定的 ECM 硬度（0.137MPa）與機械壓力協(xié)同作用下，RET/Y1062 磷酸化被成功激活，進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因素在癌癥發(fā)展中的重要作用，更為力學靶向療法的研究奠定了堅實的基礎(chǔ)，讓我們在攻克癌癥的道路上又邁出了堅實的一步。
在胰腺癌藥物篩選領(lǐng)域，一套基于 Nat Commun 方案的標準化操作流程，開始是基質(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，在細胞接種階段，他們將患者來源的胰腺癌細胞與癌癥相關(guān)成纖維細胞（CAFs）按照 5：1 的精準比例嵌入凝膠之中，精心構(gòu)建出多細胞的微環(huán)境。在藥效評估時，令人驚喜的是，相比類器官模型，該體系對吉西他濱的響應(yīng)準確度提升了 40%，并且成功保留了癌癥干細胞（CSC）特性，為胰腺癌藥物篩選提供了更為精準、有效的方法。
三陰性乳腺癌耐藥性研究一直是醫(yī)學領(lǐng)域的重點和難點，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。球狀體模型通過將 MDA-MB-231 細胞與 CAFs 共培養(yǎng)，成功發(fā)現(xiàn) CD146-RhoA 通路激活 EMT 這一關(guān)鍵耐藥機制；微流控芯片利用動態(tài)灌注 CXCL12 因子，揭示了 CAFs 誘導 M2 巨噬細胞極化與耐藥性的關(guān)聯(lián)；3D 生物打印支架則通過整合素 β1-FAK 通路抑制劑篩選，發(fā)現(xiàn)基質(zhì)剛度驅(qū)動紫杉醇耐藥的奧秘。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雜機制，為攻克這一難題提供了豐富的線索和方向。
在三維 ECM 培養(yǎng)中，維持細胞活性是一個至關(guān)重要的問題，而微凝膠技術(shù)為這一難題提供了創(chuàng)新的解決方案。伊利諾伊大學開發(fā)的聚乙二醇微凝膠陣列，就像一個微觀的 “細胞游樂場”。研究人員可以通過調(diào)節(jié)其硬度（2-20kPa），如同調(diào)整游樂場設(shè)施參數(shù)一般，高通量篩選肝星狀細胞的最佳活化條件。實驗結(jié)果令人振奮，在 6kPa 纖維連接蛋白微凝膠環(huán)境下，細胞代謝活性提升了 200%，如同被點燃的火焰，為細胞培養(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)中的復雜微環(huán)境提供了一雙強大的 “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，能實時追蹤 3D 膠原支架中成纖維細胞的樹突突起與 ECM 間的相互作用，分辨率高達 250nm。這就好比擁有了一臺超級顯微鏡，能夠深入到微觀世界的細節(jié)之中，讓我們對細胞與微環(huán)境之間的微妙關(guān)系有了更清晰、深入的認識。
諾丁漢大學利用生物工程基質(zhì)構(gòu)建的可調(diào)自組裝平臺，在成本控制和標準化方面展現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢。這個平臺就像一個高效的 “細胞工廠”，能夠?qū)⒒颊咴葱阅[瘤模型構(gòu)建周期大幅縮短至 72 小時，藥物測試周轉(zhuǎn)時間較 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三維 ECM 培養(yǎng)中的培養(yǎng)基，細胞培養(yǎng)耗材，實驗設(shè)備等提供了一系列完善的解決方案。
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