三维细胞培养：细胞治疗药物的新思路

      最新前沿成果      

近日，空军军医大学第一附属医院（西京医院）皮肤科坚哲、李春英教授团队以“3D-hUMSCs Exosomes Ameliorate Vitiligo by Simultaneously Potentiating Treg Cells-Mediated Immunosuppression and Suppressing Oxidative Stress-Induced Melanocyte Damage”为题在国际著名综合性学术期刊Advanced Science发表了研究论文，研究中构建了一种三维成球培养的人脐带间充质干细胞模型，其衍生的外泌体（3D-hUMSCs-Exos）在治疗白癜风方面展现出更为显著的效果^[1]。

该团队通过超高速离心法从2D和3D培养的hUMSCs的上清中分离外泌体，并对其进行了形态学和生化特性分析，与2D-Exos进行对比发现，3D培养的hUMSCs上清液中外泌体分泌更多，且更容易被黑素细胞摄取。

legend：二维、三维培养环境下间充质干细胞来源外泌体的部分差异性展示（左到右：数量分析、摄取图像、摄取分析）

同时，该研究团队通过建立黑色素瘤-Treg诱导的白癜风小鼠模型，评估了hUMSCs-Exos治疗白癜风的效果，与2D-Exos相比，3D-Exos治疗显著改善了白癜风小鼠的色素脱失。体内实验的显著成功，给以外泌体为核心的无细胞疗法治疗其他器官自身免疫性疾病提供了不同维度上的创新路径。

legend：二维、三维培养间充质干细胞来源外泌体在白癜风小鼠模型治疗中具有明显差异

       三维细胞培养       

三维细胞培养是组织工程、细胞生物和癌症生物学领域中一种非常重要的研究方法。它通过模拟体内环境的关键特征，包括细胞间相互作用和细胞与细胞外基质的相互作用，可以重建正常组织或肿瘤的适当结构和分化功能。

与传统的二维（2D）细胞培养相比，三维细胞培养更真实地代表了生物组织中存在的条件和过程，具有更好的生理相关性。通过使用三维细胞培养，研究人员可以深入了解复杂的细胞行为、组织发育、疾病进展和药物反应。这种技术可以在更自然和动态的微环境中研究细胞行为，捕捉多细胞相互作用、细胞信号传导和组织结构的复杂性。

Legend：三维培养中一些细胞微球染色^[2]

       干细胞三维培养       

干细胞是具有自我复制功能及多向分化潜能的原始且未特化细胞的统称，在特定条件下能再生成人体的各种细胞、组织或器官。通过三维细胞培养再现体内组织的复杂性和生理相关性，它可以进行更准确地重现内环境复杂条件，构建真实的细胞－细胞和细胞－基质相互作用，使细胞能够以更自然的方式生长和相互作用。

对于单个干细胞命运来说，三维培养使其更倾向于维持原有的形态、极性和功能，更接近人体内部的情况。因此，相比起二维细胞培养，三维培养的干细胞呈现高核质比，而且分化能力也显著增强，趋化因子表达增加，同时三维培养的干细胞具有更高维持细胞干性的能力^[3]。

       大规模干细胞培养市场      

全球3D细胞培养技术市场在近年来持续增长。据市场研究报告显示，2022年全球3D细胞培养技术市场达到了25亿美元，并预计到2028年将达到148亿美元，复合年增长率（CAGR）为26.5%。其中北美洲是全球3D细胞培养技术市场的主要贡献者，贡献了超过40.7%的市值，其次是欧洲和亚太地区。

对于细胞及其衍生生物制品的生产来说，三维细胞培养系统更易于规模化生产培养，符合市场需求及生物科学迭代。目前三维培养模式多采用微球载体作为支架，三维的结构组装通过使用流体培养基驱动支架悬浮运动来实现。微球载体作为一种微组织细胞支架，价格低廉，同时操作简单，因而在需要进行大批量细胞培养时，三维培养干细胞在空间、人工、试剂耗材与时间上的成本要远低于二维培养。

随着技术的进步和市场需求的增加，三维培养技术将会受到技术和资本市场的双重青睐。这将推动该领域的创新和发展，促使科学家和企业家寻找更多应用领域和商业机会。预计未来会有更多的投资和研究集中在三维培养技术上，进一步加快人造器官和组织工程的发展步伐，为医学和生命科学带来重大突破和进步。

参考：

[1].Wang, Q., et al., 3D-hUMSCs Exosomes Ameliorate Vitiligo by Simultaneously Potentiating Treg Cells-Mediated Immunosuppression and Suppressing Oxidative Stress-Induced  Melanocyte Damage. Adv Sci (Weinh), 2024: p. e2404064.

[2].Merivaara, A., et al., Stiffness-Controlled Hydrogels for 3D Cell Culture Models. Polymers (Basel), 2022. 14(24).

[3]李丽丽. 不同维度培养对间充质干细胞的干性影响及作用机制研究[D].南昌大学.2021.DOI:10.27232/d.cnki.gnchu.2021.000946