所有活的組織都是由細胞組成的。為了研究細胞，科學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：這就是所謂的細胞培養(yǎng)。它于1907年首次使用，此后在生物醫(yī)學實驗室中變得無處不在。細胞研究已經(jīng)從2D表面進行到3D配置，以更接近它們在體內(nèi)的自然3D棲息地：這就是我們所說的3D細胞培養(yǎng)。

1.3D細胞培養(yǎng)的目的

在這份報告中，我們確定了3D手機市場的以下兩個主要目的：
1.細胞療法，或稱再生醫(yī)學，包括將生長的細胞移植到患者體內(nèi)以修復受損組織。這個領(lǐng)域包括幾個研究領(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胞模型，以便大部分研究和藥物發(fā)現(xiàn)可以在體外進行，而不是在動物(或人類)身上進行。3D體外模型用于臨床試驗前藥物發(fā)現(xiàn)的不同階段，如圖2所示。

應該指出的是，細胞培養(yǎng)的另一個基本目標通常是使用細胞產(chǎn)生病毒或抗體。然而，這傳統(tǒng)上是通過2D細胞培養(yǎng)實現(xiàn)的，除了增加產(chǎn)量之外，幾乎沒有動力轉(zhuǎn)向真正的3D細胞培養(yǎng)形式；因此，本報告僅簡要提到這一點。

聯(lián)合市場研究公司估計，截至2015年，全球3D手機市場規(guī)模為7.65億美元，預計2022年將增長30%，達到4.691億美元。他們將市場分為4類：藥物發(fā)現(xiàn)、癌癥研究、再生醫(yī)學和干細胞研究。根據(jù)我們更廣泛的分類，我們認為干細胞研究的一部分與再生醫(yī)學一起涉及細胞治療。這是因為干細胞可以在體外分化為所需的細胞類型，然后重新植入修復組織。另一方面，我們認為，雖然癌癥和干細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)大部分市場為藥物發(fā)現(xiàn)的3D體外建模做出了貢獻(圖3)。這在很大程度上是由癌癥研究的重大推動推動的，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細胞培養(yǎng)芯片產(chǎn)品種類
根據(jù)聯(lián)合市場研究，3D細胞培養(yǎng)產(chǎn)品有以下不同的形式(有時可以組合)：
3D多孔支架：細胞生長在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：細胞在沒有支架支持的情況下形成多細胞結(jié)構(gòu)，要么自己形成(例如球體、細胞體)，要么使用細胞片技術(shù)。
微芯片：細胞被放置在微芯片隔間內(nèi)，以形成結(jié)構(gòu)更復雜的細胞微環(huán)境，類似于器官(即芯片上的器官)。
水凝膠：細胞被嵌入到細胞外基質(zhì)的3D凝膠中，如Matrigel。
生物反應器：生物反應器是在局部控制灌流、溫度、濕度和氣體交換等因素的中空圓柱室。細胞被放置在這些生物反應器內(nèi)的支架中，以促進3D細胞培養(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生物打印可以被認為是3D細胞培養(yǎng)的另一種新興格式，這是一種能夠“打印”或?qū)⒓毎蜕锊牧现饘佣ㄎ坏剿枧渲玫募夹g(shù)。在所有產(chǎn)品中，基于支架的平臺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，因為它們正在成為細胞治療和藥物發(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵，也因為越來越多的材料被表征。微芯片將經(jīng)歷顯著的增長，因為芯片上的器官將填補創(chuàng)造強大的臨床前模型的空白。請注意，支架和微芯片的生長可能是協(xié)同的，因為芯片上的器官通常依賴于支架的使用，如水凝膠。

3. 誰對3D細胞培養(yǎng)感興趣？
聯(lián)合市場研究公司估計，2015年美國是3D細胞培養(yǎng)市場最大的參與者，占市場的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，到2022年，美國和歐洲在市場上的重要性之間的差距將會縮小，美國將占35.3%，緊隨其后的是歐洲，占31.5%。

參與3D細胞培養(yǎng)市場的終端用戶主要有三類：生物技術(shù)和制藥公司、學術(shù)實驗室和合同研究實驗室。到2022年，它們的貢獻將以類似的速度發(fā)展。通常，基礎(chǔ)科學是由學術(shù)界發(fā)起的，但制藥公司將科學發(fā)現(xiàn)與藥物和過程化學、藥代動力學和安全性科學聯(lián)系起來。據(jù)估計，67-97%的藥物開發(fā)是由私營公司進行的。

4. 為什么要在3D培養(yǎng)方向發(fā)力？

答案很簡單：因為在正常環(huán)境中，細胞以三維方式進化！現(xiàn)在已經(jīng)確定，細胞在3D中的行為與在2D中的行為截然不同。當3D細胞對藥物的反應與2D細胞不同時，該領(lǐng)域出現(xiàn)了一個轉(zhuǎn)折點，證明了3D細胞培養(yǎng)對藥物測試至關(guān)重要。

簡而言之，在3D模式下培養(yǎng)細胞可以使細胞采用與體內(nèi)相似的形態(tài)和遷移模式。重述細胞的正常形態(tài)很重要，因為它們的形狀可以直接影響它們的生物活性。在體外忠實地復制遷移模式也是至關(guān)重要的，因為細胞遷移是許多疾病(如癌癥)的中心過程，可以作為藥物靶點。更廣泛地說，在3D模式中放置細胞可以有效地增加它們與周圍環(huán)境的互動程度。它迫使它們通過整個表面積與微環(huán)境(無論是支架、水凝膠還是其他細胞)進行更多的相互作用，就像它們在組織中所做的那樣。這是非常重要的，因為現(xiàn)在已經(jīng)知道，細胞與其ECM和微環(huán)境的相互作用對于許多細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)計來復制體內(nèi)條件。組成細胞外基質(zhì)的硬度、孔徑或配體都可以進行微調(diào)，以與感興趣的組織相似。最后，3D細胞培養(yǎng)允許形成和研究更復雜的多細胞結(jié)構(gòu)，如球體、細胞器或微血管系統(tǒng)。

雖然這些都是亟需的改進，但轉(zhuǎn)向第三維度實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細胞培養(yǎng)的前景，并揭示了3D細胞培養(yǎng)成為生物醫(yī)學領(lǐng)域中更高產(chǎn)量、更安全和更好標準化的技術(shù)所需滿足的需求。