在細胞培養的微觀世界里，一場技術變革正悄然進行。長久以來，傳統二維培養方式因無法精準模擬細胞在體內的真實微環境，導致細胞表型失真，實驗結果與臨床實際情況出入較大，臨床轉化率不高。如今，三維 ECM 培養技術嶄露頭角，通過重建細胞外基質的生化與物理特性，為細胞構建出更貼近體內環境的生存微環境，讓細胞展現出接近體內的基因表達、代謝響應和藥物敏感性，逐漸成為腫瘤研究、干細胞治療和藥物篩選等領域的新方向。那么，三維 ECM 培養技術究竟憑借哪些核心突破，成功攻克細胞表型失真這一難題？全球實驗室又在如何利用這一技術開辟新的研究路徑呢？讓我們一同深入探尋。
在三維 ECM 培養技術的發展進程中，脫細胞 ECM（dECM）技術猶如一顆閃耀的明星，展現出的魅力。華西醫學院的科研團隊巧妙利用 dECM 制造微圖案陣列芯片，這一創新之舉堪稱細胞培養領域的一大創舉。細胞在這個精心打造的 “微世界” 里，存活率大幅提升，基因穩定性如同堡壘般穩固，藥物代謝功能也顯著增強。這一技術的應用，成功破解了傳統 3D 培養中細胞球尺寸不均的難題，為后續的細胞研究奠定了堅實基礎。
在癌癥研究領域，脫細胞胃癌 ECM 支架的出現，仿佛為科學家們打開了一扇通往癌癥奧秘深處的大門。它成功復現了膠原重組過程，如同一場精彩的微觀過程，讓科學家們得以清晰地觀察到膠原剛度在胃癌進展中所扮演的關鍵角色。原來，膠原剛度如同一只無形的大手，通過調控免疫抵抗和癌細胞遷移，推動胃癌不斷惡化。這一發現意義非凡，為靶向膠原代謝的藥物開發搭建了理想的平臺，為癌癥治療帶來了新的希望。
高精度生物 3D 打印技術在三維 ECM 培養中同樣大放異彩。賀永教授團隊通過 3D 打印構建出曲率可控的纖維網格支架，這一成果猶如在微觀世界里搭建了一座精密的 “微觀城市”。在這個 “城市” 中，研究人員驚奇地發現，細胞仿佛有了自主意識，優先遷移至低曲率區域（>20μm 直徑纖維），并且沿著纖維軸向有序排列。這一奇妙現象的背后，隱藏著 ECM 物理形貌通過細胞內應力調控基因表達的全新機制，為我們理解細胞行為提供了嶄新的視角。
韓國團隊的研究成果同樣令人矚目，他們將脫細胞胰腺基質（pdECM）與基底膜蛋白巧妙結合，利用生物打印技術構建出胰島 - 血管復合結構（HICA-V）。這一創新結構的誕生，仿佛為干細胞源性胰島注入了強大活力，使其葡萄糖響應能力大幅提升 3.8 倍。更令人欣喜的是，該模型能夠成功模擬糖尿病病理及藥物響應。
哈爾濱醫科大學開發的磁響應藻酸鹽水凝膠 4D 動態培養系統，這個系統能夠通過電磁場模擬舌體運動，為細胞研究構建出動態環境。研究發現，在特定的 ECM 硬度（0.137MPa）與機械壓力協同作用下，RET/Y1062 磷酸化被成功激活，進而使舌鱗癌的侵襲能力提升了 3.2 倍。這一研究成果不僅揭示了力學因素在癌癥發展中的重要作用，更為力學靶向療法的研究奠定了堅實的基礎，讓我們在攻克癌癥的道路上又邁出了堅實的一步。
在胰腺癌藥物篩選領域，一套基于 Nat Commun 方案的標準化操作流程，開始是基質制備環節，研究人員將肽兩親物（PA）與 ECM 組分（層粘連蛋白、IV 型膠原）進行共組裝，如同搭建起穩固的 “大廈” 框架，形成 PA-ECM 水凝膠。隨后，在細胞接種階段，他們將患者來源的胰腺癌細胞與癌癥相關成纖維細胞（CAFs）按照 5：1 的精準比例嵌入凝膠之中，精心構建出多細胞的微環境。在藥效評估時，令人驚喜的是，相比類器官模型，該體系對吉西他濱的響應準確度提升了 40%，并且成功保留了癌癥干細胞（CSC）特性，為胰腺癌藥物篩選提供了更為精準、有效的方法。
三陰性乳腺癌耐藥性研究一直是醫學領域的重點和難點，而在這一研究中，不同的三維 ECM 培養模型發揮著重要作用。球狀體模型通過將 MDA-MB-231 細胞與 CAFs 共培養，成功發現 CD146-RhoA 通路激活 EMT 這一關鍵耐藥機制；微流控芯片利用動態灌注 CXCL12 因子，揭示了 CAFs 誘導 M2 巨噬細胞極化與耐藥性的關聯；3D 生物打印支架則通過整合素 β1-FAK 通路抑制劑篩選，發現基質剛度驅動紫杉醇耐藥的奧秘。這些研究成果如同一塊塊拼圖，逐漸拼湊出三陰性乳腺癌耐藥性的復雜機制，為攻克這一難題提供了豐富的線索和方向。
在三維 ECM 培養中，維持細胞活性是一個至關重要的問題，而微凝膠技術為這一難題提供了創新的解決方案。伊利諾伊大學開發的聚乙二醇微凝膠陣列，就像一個微觀的 “細胞游樂場”。研究人員可以通過調節其硬度（2-20kPa），如同調整游樂場設施參數一般，高通量篩選肝星狀細胞的最佳活化條件。實驗結果令人振奮，在 6kPa 纖維連接蛋白微凝膠環境下，細胞代謝活性提升了 200%，如同被點燃的火焰，為細胞培養中的活性維持提供了新的思路和方法。
多模態成像技術為解析三維 ECM 培養中的復雜微環境提供了一雙強大的 “透視眼”。它巧妙地結合熒光顯微鏡、二次諧波成像（SHG）和質譜等多種技術手段，能實時追蹤 3D 膠原支架中成纖維細胞的樹突突起與 ECM 間的相互作用，分辨率高達 250nm。這就好比擁有了一臺超級顯微鏡，能夠深入到微觀世界的細節之中，讓我們對細胞與微環境之間的微妙關系有了更清晰、深入的認識。
諾丁漢大學利用生物工程基質構建的可調自組裝平臺，在成本控制和標準化方面展現出巨大的優勢。這個平臺就像一個高效的 “細胞工廠”，能夠將患者源性腫瘤模型構建周期大幅縮短至 72 小時，藥物測試周轉時間較 PDX 模型縮短了 80%。這一成果不僅提高了研究效率，還降低了研究成本，為三維 ECM 培養技術的廣泛應用提供了有力支持。
蘇州阿爾法生物針對三維 ECM 培養中的培養基，細胞培養耗材，實驗設備等提供了一系列完善的解決方案。
手機版
化工儀器網手機版
化工儀器網小程序
官方微信
公眾號：chem17
掃碼關注視頻號
采購中心