北京基爾比生物科技公司主營產(chǎn)品：

Kilby 3D-clinostat 旋轉(zhuǎn)細胞培養(yǎng)儀,，

Kilby Gravity 微重力三維細胞培養(yǎng)系統(tǒng),，

類器官芯片搖擺灌注儀,，

Kirkstall 類器官串聯(lián)芯片灌流仿生構(gòu)建系統(tǒng)

1 三維細胞培養(yǎng)的核心原理

傳統(tǒng)二維（2D）細胞培養(yǎng)方法將細胞限制在平面培養(yǎng)皿表面生長,，無法模擬細胞在生物體內(nèi)真實的生存環(huán)境。而3D細胞培養(yǎng)技術(shù)通過在立體空間中構(gòu)建細胞生長微環(huán)境,，使細胞能夠在多個方向上自由生長,、遷移并形成復(fù)雜細胞間連接，從而高度模擬體內(nèi)組織結(jié)構(gòu),。這一技術(shù)革新為生物醫(yī)學(xué)研究提供了更接近生理條件的實驗?zāi)Ｐ汀?/span>

 1.1 微環(huán)境模擬原理

在生物體內(nèi),，細胞存在于由細胞外基質(zhì)（Extracellular Matrix, ECM）,、鄰近細胞和信號分子共同構(gòu)成的三維網(wǎng)絡(luò)中。3D細胞培養(yǎng)系統(tǒng)通過三種主要技術(shù)途徑重建這一復(fù)雜環(huán)境：

- 基質(zhì)膠培養(yǎng)：使用水凝膠（如Matrigel或膠原蛋白）模擬天然ECM的物理和生化特性,，為細胞提供生物相容性支架,，使細胞能夠遷移、增殖并建立三維連接,。

- 懸浮培養(yǎng)：利用生物反應(yīng)器的微重力環(huán)境或低粘附培養(yǎng)板,，使細胞自發(fā)聚集形成三維球體（spheroid）或類器官（organoid）。例如北京基爾比生物科技公司研制生產(chǎn)的微重力培養(yǎng)系統(tǒng)Kilby ClinoStat通過旋轉(zhuǎn)速度控制,，創(chuàng)造低剪切力環(huán)境,，保護細胞完整性同時促進三維聚集體形成。

- 支架材料：采用合成或天然聚合物（如聚己內(nèi)酯）構(gòu)建多孔性支架,，其孔徑大?。ㄍǔ?/span>50-150μm）和表面特性經(jīng)過精確設(shè)計，促進細胞浸潤和營養(yǎng)物質(zhì)交換,。

1.2 三維支撐與細胞互作

在3D培養(yǎng)環(huán)境中,，細胞通過緊密連接、縫隙連接和粘附分子建立物理聯(lián)系,，形成與體內(nèi)組織相似的空間構(gòu)型,。這種三維相互作用激活了平面培養(yǎng)中缺失的關(guān)鍵信號通路：

- 力學(xué)信號傳導(dǎo)：細胞通過整合素受體感知ECM的機械特性（如剛度、張力）,，觸發(fā)細胞內(nèi)信號級聯(lián)反應(yīng),，影響基因表達和細胞命運決定。

- 極性建立：在三維空間中,，細胞能夠建立頂端-基底極性,，這對于上皮組織和神經(jīng)管等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的形成至關(guān)重要。

- 代謝梯度形成：三維球體內(nèi)部產(chǎn)生氧氣,、營養(yǎng)物和代謝廢物的濃度梯度,，模擬了實體瘤或組織中的生理性微環(huán)境，導(dǎo)致細胞呈現(xiàn)異質(zhì)性分布,。

1.3 生物反應(yīng)器的環(huán)境控制

先進的3D培養(yǎng)系統(tǒng)整合了生物反應(yīng)器技術(shù),，實現(xiàn)對培養(yǎng)條件的精準調(diào)控。如北京基爾比生物科技公司總代理的英國Kirkstall Quasi Vivo的系統(tǒng)通過實時監(jiān)測培養(yǎng)環(huán)境中的溫度,二氧化碳等,，并通過微型機反饋系統(tǒng)調(diào)節(jié)：

- 氣體控制：CO?濃度調(diào)節(jié)范圍0%-20%,，精度達±0.1%，維持培養(yǎng)基pH穩(wěn)定,，另外也可選配低氧控制模塊,。

- 溫度控制：培養(yǎng)箱溫度維持在3℃至50℃（通常設(shè)定于37℃哺乳細胞最適溫度），波動范圍小于0.1℃,。

- 營養(yǎng)供應(yīng)：蠕動泵自動更換培養(yǎng)基,，避免頻繁人工操作帶來的污染風(fēng)險。

1.4  細胞功能的提升

3D培養(yǎng)環(huán)境對細胞生理特性產(chǎn)生深遠影響,，這是其區(qū)別于傳統(tǒng)2D培養(yǎng)的核心價值：

- 活力與長期存活：微重力懸浮培養(yǎng)的低剪切力環(huán)境減少細胞損傷,，支持細胞長達數(shù)月的培養(yǎng)周期。如北京基爾比生物科技公司Kirkstall Quasi Vivo培養(yǎng)系統(tǒng)報道的細胞活率顯著高于常規(guī)方法,。

- 分化與功能成熟：在三維環(huán)境中,，干細胞更易分化為功能細胞并形成類器官結(jié)構(gòu)。例如肝細胞在Kirkstall Quasi Vivo支架中展現(xiàn)更高的白蛋白分泌和CYP450酶活性,，更適用于藥物代謝研究,。

- 體內(nèi)特性再現(xiàn)：腫瘤細胞在3D培養(yǎng)中形成異質(zhì)性球體，重現(xiàn)了體內(nèi)腫瘤的增殖梯度,、缺氧核心和藥物滲透屏障,，提供更真實的藥物測試模型。

2 應(yīng)用領(lǐng)域：從基礎(chǔ)科研到臨床轉(zhuǎn)化

2.1 基礎(chǔ)研究與疾病建模

- 腫瘤微環(huán)境模擬：3D培養(yǎng)的腫瘤球體再現(xiàn)了腫瘤基質(zhì)相互作用和代謝梯度,。研究發(fā)現(xiàn),，相比2D培養(yǎng)，3D模型中腫瘤相關(guān)基因表達譜更接近患者樣本,，為研究腫瘤侵襲和轉(zhuǎn)移提供了理想平臺,。

- 神經(jīng)科學(xué)研究：三維神經(jīng)球體形成功能性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，突觸密度和神經(jīng)遞質(zhì)分泌顯著高于平面培養(yǎng),。阿爾茨海默病等神經(jīng)退行性疾病的3D模型中觀察到β-淀粉樣蛋白聚集和tau蛋白過度磷酸化,，更真實地模擬病理過程。

 2.2 藥物研發(fā)與毒性測試

- 藥物篩選效率提升：3D培養(yǎng)的肝細胞球體在藥物代謝研究中展現(xiàn)更高的CYP450酶活性,，更準確地預(yù)測藥物體內(nèi)代謝動力學(xué),。北京基爾比生物科技公司總代理的英國Kirkstall Quasi Vivo的系統(tǒng)構(gòu)建的腎小球3D模型則再現(xiàn)了藥物腎毒性相關(guān)的轉(zhuǎn)運蛋白表達譜。

- 毒性測試準確性：研究發(fā)現(xiàn),，藥物心臟毒性在3D心肌細胞球體中的檢測靈敏度比傳統(tǒng)方法提高3-5倍,。乳腺癌藥物赫賽汀在3D模型中的IC50值更接近臨床觀察結(jié)果，大幅降低假陽性率,。

- 腫瘤藥物敏感性檢測：患者來源腫瘤組織（PDX）的3D培養(yǎng)保持腫瘤異質(zhì)性,，可用于個性化藥物敏感性測試。研究表明,，基于北京基爾比生物科技公司總代理的英國Kirkstall Quasi Vivo的系統(tǒng)3D培養(yǎng)的藥敏結(jié)果指導(dǎo)的臨床治療,，客觀緩解率提高35%以上。

2.3 再生醫(yī)學(xué)與細胞治療

- 干細胞治療優(yōu)化：臍帶間充質(zhì)干細胞（UCMSCs）歸巢能力提高3倍,，炎癥因子分泌譜更利于組織修復(fù),。在急性肝損傷模型中，修復(fù)優(yōu)于傳統(tǒng)2D培養(yǎng)細胞。

- 免疫細胞療法：CAR-T細胞在3D腫瘤球體中展示更強的腫瘤浸潤能力和持久殺傷活性,。3D培養(yǎng)系統(tǒng)為評估免疫細胞與腫瘤微環(huán)境相互作用提供了理想平臺,。

2.4 組織工程與類器官

- 器官芯片系統(tǒng)：集成3D細胞培養(yǎng)與微流控技術(shù)的“器官芯片”，模擬肺,、肝,、腸等器官的生理微環(huán)境和流體動力學(xué)。肝芯片包含肝細胞,、星狀細胞和內(nèi)皮細胞的三維共培養(yǎng),，再現(xiàn)藥物性肝損傷的完整病理過程。

- 疾病模型構(gòu)建：囊性纖維化患者來源的支氣管類器官再現(xiàn)氯離子轉(zhuǎn)運缺陷,，成為基因治療的重要測試平臺,。炎癥性腸病類器官則模擬了上皮屏障破壞和免疫細胞浸潤過程。

- 移植組織構(gòu)建：支持軟骨細胞生長形成具有機械強度的軟骨組織,。結(jié)合患者特異性iPS細胞,，可定制化構(gòu)建關(guān)節(jié)軟骨修復(fù)移植物。

3技術(shù)挑戰(zhàn)與發(fā)展趨勢

 3.1 當(dāng)前技術(shù)瓶頸

- 標準化困境：不同實驗室使用的支架材料,、生物反應(yīng)器和培養(yǎng)方案差異顯著,，導(dǎo)致結(jié)果難以比較。例如,，基質(zhì)膠成分批次間差異可達15-20%,，影響實驗可重復(fù)性。

3.2 未來發(fā)展方向

3D細胞培養(yǎng)技術(shù)正向更高仿生,、更智能化方向發(fā)展：

- 多組學(xué)整合：結(jié)合單細胞測序和空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù),，解析3D培養(yǎng)中細胞的空間基因表達譜。如肝癌類器官的研究揭示三維結(jié)構(gòu)中腫瘤干細胞生態(tài)位的分子特征,。

- 血管化突破：預(yù)置內(nèi)皮網(wǎng)絡(luò)通道的支架材料,，結(jié)合機械灌注系統(tǒng)，解決類器官內(nèi)部壞死問題,。近期研究成功在1cm3肝類器官中實現(xiàn)功能性血管網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建,。

- 多維度動態(tài)培養(yǎng)：引入機械應(yīng)力（如拉伸、流體剪切力）和電刺激等動態(tài)因素,，模擬心臟搏動或腸蠕動的生理環(huán)境,。例如，在心肌組織工程中,，周期性拉伸使收縮力提高5倍,。

- 人工智能優(yōu)化：機器學(xué)習(xí)算法分析實時成像數(shù)據(jù)，預(yù)測細胞球生長軌跡并自動優(yōu)化培養(yǎng)參數(shù),。開發(fā)AI驅(qū)動的培養(yǎng)系統(tǒng),，將細胞球尺寸變異系數(shù)降低至15%以下。

4 總結(jié)：三維細胞培養(yǎng)的變革價值

3D細胞培養(yǎng)系統(tǒng)通過模擬體內(nèi)微環(huán)境的三維結(jié)構(gòu)、細胞間相互作用和生理梯度,，克服了傳統(tǒng)2D培養(yǎng)的固有局限,，在基礎(chǔ)研究、藥物開發(fā)和再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力,。隨著生物材料革新,、自動化控制和成像技術(shù)的進步,，這一技術(shù)正變得更加精確,、高效和用戶友好。

盡管面臨標準化,、成本和分析復(fù)雜性等挑戰(zhàn),，3D細胞培養(yǎng)向更高仿生性（如血管化、神經(jīng)支配）和智能化調(diào)控的發(fā)展趨勢明確,。隨著英國Kirkstall Quasi Vivo多器官芯片/串聯(lián)器官芯片,、北京基爾比生物科技公司研制生產(chǎn)的Gravity微重力三維細胞培養(yǎng)系統(tǒng)Clinostat、生物打印與患者來源類器官技術(shù)的融合,，該領(lǐng)域有望實現(xiàn)從疾病模型構(gòu)建到功能性組織制造的跨越,，最終推動個性化醫(yī)療和再生治療的臨床轉(zhuǎn)化。

在可預(yù)見的未來,，3D細胞培養(yǎng)將從研究工具進化為標準化醫(yī)療技術(shù),，為藥物研發(fā)提供更具預(yù)測性的平臺，為患者提供量身定制的細胞治療方案,，深刻變革生物醫(yī)學(xué)研究和臨床實踐的面貌,。