所有活的組織都是由細(xì)胞組成的。為了研究細(xì)胞，科學(xué)家將它們從原始組織中分離出來，并在受控的人工環(huán)境中生長(zhǎng)：這就是所謂的細(xì)胞培養(yǎng)。它于1907年首次使用，此后在生物醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室中變得無處不在。細(xì)胞研究已經(jīng)從2D表面進(jìn)行到3D配置，以更接近它們?cè)隗w內(nèi)的自然3D棲息地：這就是我們所說的3D細(xì)胞培養(yǎng)。

1.3D細(xì)胞培養(yǎng)的目的

在這份報(bào)告中，我們確定了3D手機(jī)市場(chǎng)的以下兩個(gè)主要目的：
1.細(xì)胞療法，或稱再生醫(yī)學(xué)，包括將生長(zhǎng)的細(xì)胞移植到患者體內(nèi)以修復(fù)受損組織。這個(gè)領(lǐng)域包括幾個(gè)研究領(lǐng)域，如圖1所示。

2. 用于藥物發(fā)現(xiàn)的三維體外建模，旨在創(chuàng)建模擬活組織的三維細(xì)胞模型，以便大部分研究和藥物發(fā)現(xiàn)可以在體外進(jìn)行，而不是在動(dòng)物(或人類)身上進(jìn)行。3D體外模型用于臨床試驗(yàn)前藥物發(fā)現(xiàn)的不同階段，如圖2所示。

應(yīng)該指出的是，細(xì)胞培養(yǎng)的另一個(gè)基本目標(biāo)通常是使用細(xì)胞產(chǎn)生病毒或抗體。然而，這傳統(tǒng)上是通過2D細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)現(xiàn)的，除了增加產(chǎn)量之外，幾乎沒有動(dòng)力轉(zhuǎn)向真正的3D細(xì)胞培養(yǎng)形式；因此，本報(bào)告僅簡(jiǎn)要提到這一點(diǎn)。

聯(lián)合市場(chǎng)研究公司估計(jì)，截至2015年，全球3D手機(jī)市場(chǎng)規(guī)模為7.65億美元，預(yù)計(jì)2022年將增長(zhǎng)30%，達(dá)到4.691億美元。他們將市場(chǎng)分為4類：藥物發(fā)現(xiàn)、癌癥研究、再生醫(yī)學(xué)和干細(xì)胞研究。根據(jù)我們更廣泛的分類，我們認(rèn)為干細(xì)胞研究的一部分與再生醫(yī)學(xué)一起涉及細(xì)胞治療。這是因?yàn)楦杉?xì)胞可以在體外分化為所需的細(xì)胞類型，然后重新植入修復(fù)組織。另一方面，我們認(rèn)為，雖然癌癥和干細(xì)胞研究是它們自己的主要參與者，但它們本質(zhì)上在開發(fā)3D體外模型的努力中發(fā)揮了作用。因此，我們發(fā)現(xiàn)大部分市場(chǎng)為藥物發(fā)現(xiàn)的3D體外建模做出了貢獻(xiàn)(圖3)。這在很大程度上是由癌癥研究的重大推動(dòng)推動(dòng)的，而這本身也是由于世界各地癌癥發(fā)病率的上升而被迫的。

2.3D細(xì)胞培養(yǎng)芯片產(chǎn)品種類
根據(jù)聯(lián)合市場(chǎng)研究，3D細(xì)胞培養(yǎng)產(chǎn)品有以下不同的形式(有時(shí)可以組合)：
3D多孔支架：細(xì)胞生長(zhǎng)在1-工程支架或2-天然衍生纖維材料(如膠原蛋白或?qū)诱尺B蛋白)的毛孔內(nèi)。
無支架平臺(tái)：細(xì)胞在沒有支架支持的情況下形成多細(xì)胞結(jié)構(gòu)，要么自己形成(例如球體、細(xì)胞體)，要么使用細(xì)胞片技術(shù)。
微芯片：細(xì)胞被放置在微芯片隔間內(nèi)，以形成結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的細(xì)胞微環(huán)境，類似于器官(即芯片上的器官)。
水凝膠：細(xì)胞被嵌入到細(xì)胞外基質(zhì)的3D凝膠中，如Matrigel。
生物反應(yīng)器：生物反應(yīng)器是在局部控制灌流、溫度、濕度和氣體交換等因素的中空?qǐng)A柱室。細(xì)胞被放置在這些生物反應(yīng)器內(nèi)的支架中，以促進(jìn)3D細(xì)胞培養(yǎng)。
定制化服務(wù)：企業(yè)直接為研究人員定制產(chǎn)品。

此外，3D生物打印可以被認(rèn)為是3D細(xì)胞培養(yǎng)的另一種新興格式，這是一種能夠“打印”或?qū)⒓?xì)胞和生物材料逐層定位到所需配置的技術(shù)。在所有產(chǎn)品中，基于支架的平臺(tái)和微芯片被確定為該領(lǐng)域最大的投資口袋(圖4)。支架產(chǎn)生了最多的收入，因?yàn)樗鼈冋诔蔀榧?xì)胞治療和藥物發(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵，也因?yàn)樵絹碓蕉嗟牟牧媳槐碚鳌Ｎ⑿酒瑢⒔?jīng)歷顯著的增長(zhǎng)，因?yàn)樾酒系钠鞴賹⑻钛a(bǔ)創(chuàng)造強(qiáng)大的臨床前模型的空白。請(qǐng)注意，支架和微芯片的生長(zhǎng)可能是協(xié)同的，因?yàn)樾酒系钠鞴偻ǔＲ蕾囉谥Ъ艿氖褂茫缢z。

3. 誰對(duì)3D細(xì)胞培養(yǎng)感興趣？
聯(lián)合市場(chǎng)研究公司估計(jì)，2015年美國(guó)是3D細(xì)胞培養(yǎng)市場(chǎng)最大的參與者，占市場(chǎng)的41%，歐洲占29%，亞太地區(qū)占19%，巴西、南非和沙特阿拉伯占11%(圖5)。他們估計(jì)，到2022年，美國(guó)和歐洲在市場(chǎng)上的重要性之間的差距將會(huì)縮小，美國(guó)將占35.3%，緊隨其后的是歐洲，占31.5%。

參與3D細(xì)胞培養(yǎng)市場(chǎng)的終端用戶主要有三類：生物技術(shù)和制藥公司、學(xué)術(shù)實(shí)驗(yàn)室和合同研究實(shí)驗(yàn)室。到2022年，它們的貢獻(xiàn)將以類似的速度發(fā)展。通常，基礎(chǔ)科學(xué)是由學(xué)術(shù)界發(fā)起的，但制藥公司將科學(xué)發(fā)現(xiàn)與藥物和過程化學(xué)、藥代動(dòng)力學(xué)和安全性科學(xué)聯(lián)系起來。據(jù)估計(jì)，67-97%的藥物開發(fā)是由私營(yíng)公司進(jìn)行的。

4. 為什么要在3D培養(yǎng)方向發(fā)力？

答案很簡(jiǎn)單：因?yàn)樵谡－h(huán)境中，細(xì)胞以三維方式進(jìn)化！現(xiàn)在已經(jīng)確定，細(xì)胞在3D中的行為與在2D中的行為截然不同。當(dāng)3D細(xì)胞對(duì)藥物的反應(yīng)與2D細(xì)胞不同時(shí)，該領(lǐng)域出現(xiàn)了一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，證明了3D細(xì)胞培養(yǎng)對(duì)藥物測(cè)試至關(guān)重要。

簡(jiǎn)而言之，在3D模式下培養(yǎng)細(xì)胞可以使細(xì)胞采用與體內(nèi)相似的形態(tài)和遷移模式。重述細(xì)胞的正常形態(tài)很重要，因?yàn)樗鼈兊男螤羁梢灾苯佑绊懰鼈兊纳锘钚浴Ｔ隗w外忠實(shí)地復(fù)制遷移模式也是至關(guān)重要的，因?yàn)榧?xì)胞遷移是許多疾病(如癌癥)的中心過程，可以作為藥物靶點(diǎn)。更廣泛地說，在3D模式中放置細(xì)胞可以有效地增加它們與周圍環(huán)境的互動(dòng)程度。它迫使它們通過整個(gè)表面積與微環(huán)境(無論是支架、水凝膠還是其他細(xì)胞)進(jìn)行更多的相互作用，就像它們?cè)诮M織中所做的那樣。這是非常重要的，因?yàn)楝F(xiàn)在已經(jīng)知道，細(xì)胞與其ECM和微環(huán)境的相互作用對(duì)于許多細(xì)胞功能是必不可少的。此外，3D支持系統(tǒng)提供了物理和生化錨定，可以通過工程設(shè)計(jì)來復(fù)制體內(nèi)條件。組成細(xì)胞外基質(zhì)的硬度、孔徑或配體都可以進(jìn)行微調(diào)，以與感興趣的組織相似。最后，3D細(xì)胞培養(yǎng)允許形成和研究更復(fù)雜的多細(xì)胞結(jié)構(gòu)，如球體、細(xì)胞器或微血管系統(tǒng)。

雖然這些都是亟需的改進(jìn)，但轉(zhuǎn)向第三維度實(shí)際上打開了許多其他維度的探索。在接下來的綜述中，我們總結(jié)了3D細(xì)胞培養(yǎng)的前景，并揭示了3D細(xì)胞培養(yǎng)成為生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中更高產(chǎn)量、更安全和更好標(biāo)準(zhǔn)化的技術(shù)所需滿足的需求。