北京基爾比生物科技公司主營產品：

Kilby 3D-clinostat 旋轉細胞培養儀，

Kilby Gravity 微重力三維細胞培養系統，

類器官芯片搖擺灌注儀，

Kirkstall 類器官串聯芯片灌流仿生構建系統

1 三維細胞培養的核心原理

傳統二維（2D）細胞培養方法將細胞限制在平面培養皿表面生長，無法模擬細胞在生物體內真實的生存環境。而3D細胞培養技術通過在立體空間中構建細胞生長微環境，使細胞能夠在多個方向上自由生長、遷移并形成復雜細胞間連接，從而高度模擬體內組織結構。這一技術革新為生物醫學研究提供了更接近生理條件的實驗模型。

 1.1 微環境模擬原理

在生物體內，細胞存在于由細胞外基質（Extracellular Matrix, ECM）、鄰近細胞和信號分子共同構成的三維網絡中。3D細胞培養系統通過三種主要技術途徑重建這一復雜環境：

- 基質膠培養：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：利用生物反應器的微重力環境或低粘附培養板，使細胞自發聚集形成三維球體（spheroid）或類器官（organoid）。例如北京基爾比生物科技公司研制生產的微重力培養系統Kilby ClinoStat通過旋轉速度控制，創造低剪切力環境，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（如聚己內酯）構建多孔性支架，其孔徑大小（通常50-150μm）和表面特性經過精確設計，促進細胞浸潤和營養物質交換。

1.2 三維支撐與細胞互作

在3D培養環境中，細胞通過緊密連接、縫隙連接和粘附分子建立物理聯系，形成與體內組織相似的空間構型。這種三維相互作用激活了平面培養中缺失的關鍵信號通路：

- 力學信號傳導：細胞通過整合素受體感知ECM的機械特性（如剛度、張力），觸發細胞內信號級聯反應，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管等復雜結構的形成至關重要。

- 代謝梯度形成：三維球體內部產生氧氣、營養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境，導致細胞呈現異質性分布。

1.3 生物反應器的環境控制

先進的3D培養系統整合了生物反應器技術，實現對培養條件的精準調控。如北京基爾比生物科技公司總代理的英國Kirkstall Quasi Vivo的系統通過實時監測培養環境中的溫度,二氧化碳等，并通過微型機反饋系統調節：

- 氣體控制：CO?濃度調節范圍0%-20%，精度達±0.1%，維持培養基pH穩定，另外也可選配低氧控制模塊。

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

- 營養供應：蠕動泵自動更換培養基，避免頻繁人工操作帶來的污染風險。

1.4  細胞功能的提升

3D培養環境對細胞生理特性產生深遠影響，這是其區別于傳統2D培養的核心價值：

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

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

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

2 應用領域：從基礎科研到臨床轉化

2.1 基礎研究與疾病建模

- 腫瘤微環境模擬：3D培養的腫瘤球體再現了腫瘤基質相互作用和代謝梯度。研究發現，相比2D培養，3D模型中腫瘤相關基因表達譜更接近患者樣本，為研究腫瘤侵襲和轉移提供了理想平臺。

- 神經科學研究：三維神經球體形成功能性神經網絡，突觸密度和神經遞質分泌顯著高于平面培養。阿爾茨海默病等神經退行性疾病的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 藥物研發與毒性測試

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

- 毒性測試準確性：研究發現，藥物心臟毒性在3D心肌細胞球體中的檢測靈敏度比傳統方法提高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培養保持腫瘤異質性，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3D培養的藥敏結果指導的臨床治療，客觀緩解率提高35%以上。

2.3 再生醫學與細胞治療

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

- 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培養系統為評估免疫細胞與腫瘤微環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：集成3D細胞培養與微流控技術的“器官芯片”，模擬肺、肝、腸等器官的生理微環境和流體動力學。肝芯片包含肝細胞、星狀細胞和內皮細胞的三維共培養，再現藥物性肝損傷的完整病理過程。

- 疾病模型構建：囊性纖維化患者來源的支氣管類器官再現氯離子轉運缺陷，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。

- 移植組織構建：支持軟骨細胞生長形成具有機械強度的軟骨組織。結合患者特異性iPS細胞，可定制化構建關節軟骨修復移植物。

3技術挑戰與發展趨勢

 3.1 當前技術瓶頸

- 標準化困境：不同實驗室使用的支架材料、生物反應器和培養方案差異顯著，導致結果難以比較。例如，基質膠成分批次間差異可達15-20%，影響實驗可重復性。

3.2 未來發展方向

3D細胞培養技術正向更高仿生、更智能化方向發展：

- 多組學整合：結合單細胞測序和空間轉錄組技術，解析3D培養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構中腫瘤干細胞生態位的分子特征。

- 血管化突破：預置內皮網絡通道的支架材料，結合機械灌注系統，解決類器官內部壞死問題。近期研究成功在1cm3肝類器官中實現功能性血管網絡構建。

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

- 人工智能優化：機器學習算法分析實時成像數據，預測細胞球生長軌跡并自動優化培養參數。開發AI驅動的培養系統，將細胞球尺寸變異系數降低至15%以下。

4 總結：三維細胞培養的變革價值

3D細胞培養系統通過模擬體內微環境的三維結構、細胞間相互作用和生理梯度，克服了傳統2D培養的固有局限，在基礎研究、藥物開發和再生醫學領域展現出巨大潛力。隨著生物材料革新、自動化控制和成像技術的進步，這一技術正變得更加精確、高效和用戶友好。

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

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