3D細胞培養：了解你的酶標儀

一直以來，傳統的2D細胞培養廣泛用于細胞生物學研究和藥物開發，為研究細胞通路提供了方便的體外模型。然而，細胞在平面上生長，這與天然環境并不相同，也導致細胞行為有明顯差異。形態、增殖、基因表達、代謝和活力發生顯著變化，這會影響細胞對藥物的反應。因此，許多臨床前研究認為2D細胞培養技術是不夠的，它意味著仍需要在動物模型中開展大量的實驗，而這一過程有難度，耗時又昂貴。

一些實驗室開始采用3D細胞培養技術， 來幫助縮小2D體外研究和動物模型之間的差距。盡管3D細胞培養不是最近的發明，早在1907年人們就用于培養青蛙神經元，但在過去的十年中，對細胞分析的生物相關性的追求促使各種新穎的3D培養技術快速發展。

這些3D培養技術可大致分為兩類：需要支架和不需要支架。它們旨在為細胞生長、增殖和分化提供了一個更類似于體內的環境。許多被設計成方便的微孔板形式，讓細胞培養的過程完全自動化，這帶來了中等通量的重復3D培養。不過，實驗室中現有的酶標儀大多是為2D培養而設計的，它們是否能讓您實現3D細胞分析的好處，您又如何最有效地利用這些儀器呢？

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對于所有的細胞應用而言，光學元件位于微孔板底部的酶標儀至關重要，因為培養基的量及光學性質對自上而下的測定會有明顯的影響，導致重復性差和數據丟失。這對3D細胞培養尤為重要，因為視野深度增加。在理想的情況下，儀器應當有一個可調節的Z軸聚焦，讓用戶優化孔內高度，實現靈敏度最大化。一些系統提供全自動的Z軸聚焦，通過參考孔或多個孔的預掃描來確定最佳的Z軸位置。

激發孔徑的大小也很重要；最理想的情況是，激發光源涵蓋整個培養物。這樣就不必在每個孔中的不同點進行多次測定，取平均結果，而一些3D細胞培養技術就是專為滿足此需求而開發的。

在發射端，3D細胞培養也有幾個需要注意的地方。基于支架的3D細胞培養方法可能會存在高的背景熒光，這是因為支架材料的自發熒光；有必要進行一些形式的背景校正，以避免遮蓋細胞反應的微妙變化。而大的動態范圍也很重要，因為每孔中更高濃度的細胞會很容易導致整個樣本出現大的信號變化。

對于某些應用，可能需要測定多個分析物，因此必須確保酶標儀的光學元件為每個分析物帶來精確的激發和發射，且濾光片組合適當，以避免信號的交叉。

環境控制

嚴格的環境控制對于任何細胞應用而言非常重要，即使是小的變化也往往導致實驗偏差或錯誤的結果。盡管大多數酶標儀提供某種形式的溫度控制，但我們必須了解這是如何實現的。很多系統的恒溫控制不太好，隨著時間的變化會出現大的溫度波動，因為系統對溫度測量室中溫度的升高或降低反應太慢。加熱元件的位置也會影響各孔之間的性能。不均勻的加熱會引起微孔板的溫度梯度，影響細胞生長和酶活。對于長期的研究，這還可能導致各孔之間的蒸發速率不同，這會顯著影響分析性能。

3D細胞培養的主要目標之一是讓細胞分析帶來更好的生物相關性，而維持與體內相似的CO2和O2分壓很關鍵，尤其是對于真核細胞。這些細胞系的增殖和存活嚴格依賴于培養基條件；培養基的pH通常是由碳酸氫鹽緩沖液來維持的，并通過空氣中CO2分壓的精確調節來穩定緩沖液系統。此外，在體內發現的缺氧環境可能對藥物吸收和代謝有顯著影響，這讓O2分壓的精確調節變得同樣重要；在研究腫瘤細胞中缺氧誘導的轉錄因子時，這特別有用。

然而，目前市場上大部分的酶標儀都缺乏控制CO2和O2的能力，需要將微孔板在培養箱和酶標儀之間移來移去。盡管這能夠實現，但并不理想。最理想的情況當然是，酶標儀能夠提供CO2和O2的精確調節，實現連續的測定。

結語

細胞培養系統代表了細胞分析的一次真正進步，提供了更高的生物相關性，節省了下游實驗的費用。3D培養的開展需要您徹底了解酶標儀的軟件和硬件結構，仔細檢查儀器參數與培養和分析的要求是否匹配。若酶標儀能夠實現分析的完全自動化，在測量室中長期連續地測定細胞反應，那當然是最理想的。