综述：利用3D培养技术重振永生化癌细胞系研究：从2D培养向3D培养转型的时机已经成熟

《Critical Reviews in Oncology/Hematology》：Revitalizing Immortalized Cancer Cell Line Research with 3D Cultures: The Time Is Ripe for Transition from 2D to 3D

三维培养模型在癌症研究中的应用及永生化细胞系的潜力

　　

约翰·马林加·吉塔卡

西弗吉尼亚大学癌症研究所医学肿瘤学系，美国西弗吉尼亚州摩根敦，26506

摘要

在简化的体外检测方法和活体组织的复杂生物学之间架起桥梁仍然是癌症研究的核心目标。尽管越来越多的证据表明，三维（3D）培养模型能够更准确地再现发育和恶性过程，但二维（2D）单层培养仍然是主要的体外研究平台。这种缓慢的转变往往基于这样一个假设：只有源自原始组织的模型（本文称为原代类器官）才适合用于生理相关的三维培养。然而，新的研究表明，广泛可用、基因操作简便且成本效益高的永生化细胞系在从二维转变为三维培养环境后，能够再现体内行为的关键方面。本综述综合了支持永生化细胞系在三维环境中应用的证据，阐述了这种方法的概念和实际优势，并强调了有助于其更广泛采用的实验框架。通过利用永生化细胞系的三维培养系统，研究人员可以更有效地弥合简化的体外检测方法与驱动肿瘤发展和进展的生理条件之间的差距。

引言

乔治·博克斯著名的统计格言“所有模型都是错误的，但有些模型是有用的”（Box和Draper，1987年）继续体现了科学模型对研究进展的贡献。在生物学研究中，这强调了寻找能够缩小体外实验室模型与其旨在模拟的体内系统之间差距的实验方法的必要性。在癌症研究中，基于二维（2D）培养的检测方法仍然是最常用的体外方法，主要使用永生化细胞系（图1中的绿色线条）。这些永生化癌细胞系来源于多种恶性组织，携带着使其能够无限增殖的遗传和表观遗传改变（de Bardet等人，2023年）。这些永生化特性在肿瘤进化过程中自然产生，或通过实验操作得到加强，使研究人员能够维持稳定的模型系统，从而进行长期的机制研究和转化研究（有关永生化细胞系的全面综述，请参见de Bardet等人，2023年；Voloshin等人，2023年）。

1951年，第一个永生化癌细胞系HeLa的建立（Masters，2002年）促使在接下来的半个世纪里开发出了数百种永生化癌细胞系，涵盖了多种不同的癌症类型。多年来，这些细胞系已成为癌症研究的主要工具。最近，诸如癌症细胞系百科全书（CCLE）和MD安德森细胞系项目（MCLP）等大规模努力对数千种细胞系进行了多组学平台的表征，包括基因组学、转录组学、蛋白质组学、反向相位蛋白阵列（RPPA）和抗癌药物敏感性分析（Barretina等人，2012年；Ghandi等人，2019年；Li等人，2017年；Nusinow等人，2020年）。在此期间，二维单层培养一直是这种体外癌症研究的基础平台。然而，科学家们早就认识到，三维（3D）培养系统比二维培养系统提供了更具生理相关性的模型（图2）。此外，最近关于二维与三维系统的评论和观点也表明了这一点（Duval等人，2017年；Jensen和Teng，2020年；Kapa?czyńska等人，2018年；K. Sharma等人，2023年）。20世纪80年代，第一种基底膜提取物（BME）基质（通常称为Matrigel）的开发为三维培养系统提供了支架，这种基质来源于Engelbreth–Holm–Swarm（EHS）肿瘤（Kleinman等人，1986年）。这一进展促成了被称为“球体”的三维模型的建立，这些模型是由永生化细胞系组成的聚集体，旨在模拟天然组织或肿瘤的结构、功能和微环境（图1中的青色线条）。

21世纪中叶，研究人员建立了直接从正常或恶性组织衍生出的三维培养模型，称为类器官（有时也称为肿瘤类器官，以区别于多能干细胞衍生的类器官）（Corrò等人，2020年）。这些模型在癌症研究中的重要性日益增加（图1中的洋红色线条）。通过将这些细胞嵌入支持所有维度生长的细胞外基质（ECM）中，三维培养能够更忠实地再现天然细胞的形态、谱系分化和依赖环境的相互作用，并且易于配置共培养系统，以模拟肿瘤微环境（TME）的复杂性（K. Sharma等人，2023年）。然而，尽管类器官模型被广泛认为是体内生物学的优秀替代品（Kim等人，2020年；Richter等人，2021年），但获取患者来源的样本受到限制，所需的特殊试剂和培养条件可能非常昂贵（一项研究估计50毫升培养基的成本为646美元（Chang等人，2023年），并且技术要求也很高（Kim等人，2020年；Richter等人，2021年）。此外，原代类器官通常具有有限的寿命和谱系漂移，这限制了它们在长时间或可重复实验中的实用性（Fan等人，2025年；Jensen和Little，2023年）。

相比之下，永生化癌细胞系易于获取、基因操作简便且成本效益高，其内在的可重复性使其非常适合长期研究和高通量筛选。值得注意的是，当这些细胞系被转移到三维培养格式并保持较低的传代次数时（Prasad等人，2023年），它们可以表现出更接近体内肿瘤行为的结构和功能特征，这挑战了只有原代类器官才能提供此类见解的假设。

新的证据表明，当永生化细胞系在适当的三维微环境中培养时，可以捕捉到肿瘤生物学的关键方面，其准确性超过了之前对永生化二维培养的估计（Kapa?czyńska等人，2018年）。大多数三维培养策略依赖于将细胞嵌入BME基质、胶原凝胶或两者的混合基质中（Kapa?czyńska等人，2018年）。越来越多的合成和半合成水凝胶以及其他人工支架也被用来更精确地调节机械和生化信号（Kapa?czyńska等人，2018年）。本综述强调了这些进展，概述了使用永生化细胞系的三维培养系统的优势，并为研究人员提供了实际示例，以帮助弥合简化的体外检测方法和生理相关的体内过程之间的差距。

章节片段

永生化细胞系与原代细胞：相似之处多于差异

尽管永生化细胞系和原代细胞经常被视为根本不同的实验系统，但当在适当的培养和生物学背景下使用时，它们实际上有更多的共同点。事实上，许多癌症生物学的基础发现都是从永生化细胞系中获得的，并通过体内验证加以补充，这突显了它们在机制研究中的长期重要性（Mirabelli等人，2019年）。

两者

细胞维度：二维与三维中的永生化细胞系——一个全新的世界

细胞在二维单层培养和三维培养系统中的行为存在显著差异。在二维培养中，细胞以扁平片状生长，缺乏生理相关的顶基底极性、均匀的机械约束以及形成类似组织的结构的能力。相比之下，三维培养支持多细胞结构的出现（例如由乳腺上皮细胞MCF10A或肾上皮细胞MDCK形成的囊状结构），这些结构更忠实地再现了体内的情况

三维培养的采用：从简单的无支架培养到先进的微流控平台

永生化细胞系从传统的二维单层培养向三维培养的转变，是由于人们认识到空间结构、细胞外基质环境和多细胞相互作用对癌细胞行为有重要影响。对于希望采用三维模型的研究人员来说，可用的平台范围很广，从简单的无支架聚集体到高度工程化的微流控系统都有（

结论与关键观点

三维培养不再是一种新兴的方法；它已成为一种成熟的生物学需求。在形态发生、侵袭生物学、肿瘤微环境相互作用、药物耐药性和多组学调控方面的累积证据表明，继续依赖二维单层培养在科学上是难以辩护的。该领域早就认识到维度会改变细胞的命运和信号传导（Duval等人，2017年；Jensen和Teng，2020年），然而这一转变的转化意义尚未完全被理解

未引用的参考文献

(Sharma等人，2023年)

写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备本作品时，作者使用了ChatGPT来改进句子结构和语法流畅性。使用该工具后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对发表文章的内容负全责。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。