三維細胞培養系統是一種通過構建三維空間結構，模擬細胞在體內自然微環境的體外培養技術，旨在彌補傳統二維細胞培養與動物實驗間的差距，為細胞提供更接近生理狀態的生長條件。該系統核心在于通過支架材料或無支架技術構建三維結構。支架材料包括天然的膠原、Matrigel及合成材料如聚乳酸、聚苯乙烯等，它們通過調整孔隙率、力學性能支持細胞黏附、遷移及功能表達。無支架技術則包括懸滴法、磁力懸浮等，利用重力或磁場使細胞聚集成球。

　　三維細胞培養系統其主要作用體現在更精準地還原細胞在體內的生理狀態和功能，為生命科學研究、醫學應用等提供更可靠的模型。具體作用如下：

　　一、模擬體內生理微環境，還原細胞真實表型

　　細胞形態與結構：在三維環境中，細胞可通過自組裝形成類似體內組織的立體結構（如球體、類器官、微組織等），例如腫瘤細胞球能模擬腫瘤的分層結構（核心缺氧區、中間增殖區、外層侵襲區），與體內腫瘤的異質性更接近；上皮細胞可形成具有腔隙的腺泡結構，類似體內腺體組織。

　　細胞功能表達：三維培養能激活細胞在二維培養中被抑制的基因和蛋白表達，例如肝細胞在三維培養中可維持更高的白蛋白合成能力和代謝功能，神經細胞能形成更復雜的突觸連接，更貼近體內細胞的生理功能狀態。

　　二、研究細胞間相互作用與信號傳導

　　細胞-細胞通訊：三維系統中，不同類型細胞（如腫瘤細胞與基質細胞、免疫細胞與靶細胞）可通過直接接觸或分泌細胞因子（如生長因子、趨化因子）進行更接近體內的相互作用，例如研究腫瘤微環境中癌細胞與成纖維細胞、巨噬細胞的交叉對話，揭示腫瘤增殖、轉移的機制。

　　細胞-基質相互作用：三維支架（如膠原蛋白、基質膠、合成高分子材料）模擬體內細胞外基質（ECM）的成分和力學特性（硬度、彈性），細胞可通過整合素等受體與基質結合，調控細胞的黏附、遷移、分化等行為，例如干細胞在不同硬度的三維支架中可向不同譜系分化（如神經細胞、肌細胞）。

　　三、為疾病機制研究提供更可靠的模型

　　腫瘤研究：三維腫瘤球模型可模擬腫瘤的耐藥性（如藥物滲透梯度導致的耐藥）、血管生成、侵襲轉移等過程，比二維培養更精準地反映體內腫瘤對藥物的響應，用于篩選抗腫瘤藥物、研究耐藥機制。

　　神經退行性疾?。豪酶杉毎T導形成的三維神經類器官（如腦類器官），可模擬阿爾茨海默病、帕金森病等疾病中神經元的退化過程，研究病理蛋白（如β-淀粉樣蛋白、α-突觸核蛋白）的聚集機制。

　　器官纖維化：三維培養的成纖維細胞與上皮細胞共培養模型，可模擬肺纖維化、肝纖維化中細胞外基質過度沉積的過程，揭示纖維化的分子機制。

　　四、推動藥物研發與篩選的精準化

　　藥物敏感性測試：三維細胞模型對藥物的反應更接近體內組織，可提高藥物篩選的準確性，減少因二維模型與體內差異導致的“臨床前有效、臨床失敗”問題。例如，在三維腫瘤模型中篩選的化療藥物或靶向藥物，其有效濃度和毒性更貼近臨床實際。

　　藥物代謝與毒性評估：利用三維肝細胞球或肝類器官，可更精準地評估藥物的代謝途徑和肝毒性（如藥物誘導的肝損傷），比二維肝細胞培養更能反映體內肝臟的代謝功能。

　　五、促進再生醫學與組織工程的發展

　　組織修復與替代：三維培養系統可構建具有功能的組織工程移植物，例如利用干細胞在三維支架上培養形成骨、軟骨、皮膚等組織，用于修復創傷或器官缺損（如軟骨缺損修復的三維軟骨細胞支架）。

　　器官芯片研發：結合微流控技術的三維細胞培養系統（即“器官芯片”），可模擬人體器官的生理功能（如肺芯片、腎芯片），用于研究器官間相互作用、藥物在多器官中的代謝過程，為個性化醫療和替代動物實驗提供新工具。

　　六、助力干細胞研究與應用

　　干細胞分化調控：三維環境更有利于維持干細胞的干性或誘導其定向分化，例如胚胎干細胞在三維培養中可形成擬胚體，進而分化為多種細胞類型；間充質干細胞在三維支架中可更高效地分化為骨、脂肪等細胞，為干細胞移植提供充足的功能細胞。

　　干細胞微環境研究：通過調控三維培養的細胞外基質成分、力學信號和細胞因子，可揭示干細胞niche（微環境）對干細胞自我更新和分化的調控機制。