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一、關鍵詞

細胞培養、二維細胞培養、三維細胞培養、類器官、球體、器官芯片

二、摘要

概述了細胞培養領域的歷史里程碑，從19世紀80年代Wilhelm Roux的開創性實驗，到Ross Granville Harrison在20世紀初的奠基工作，再到Alexis Carrel的永生化細胞研究。

后續Johannes Holtfreter、Aron Moscona、Joseph Leighton等推動了三維細胞培養發展，2006年Takahashi和Yamanaka誘導多能干細胞（iPSCs）的發現具有革命性意義。近年來，球體、類器官和器官芯片技術成為研究熱點，文章還探討了從二維到三維細胞培養的轉變及未來方向。

三、細胞培養歷史概述

1. 早期起源（19世紀末-20世紀初）

- Robert Koch（19世紀80年代）：改進微生物培養技術，使用明膠固化培養基，提出“科赫法則”，強調滅菌的重要性，與Richard Petri合作改進培養皿（Petri dish）。

- Wilhelm Roux（19世紀80年代）：通過雞胚細胞實驗，證明細胞可在鹽溶液中在體外存活。

- Leo Loeb：在華盛頓大學開展細胞培養、移植和激素研究，為實驗病理學奠定基礎。

- Ross Granville Harrison（1906年）：在試管中培養蛙神經纖維組織，使用、鹽溶液和瓊脂作為培養基，開發“懸滴技術”，通過無菌操作（如滅菌手術器械）將細胞培養延長至5周，其著作《Observations on the Development of Living Nerve Fibers》具有重要意義。

2. 技術發展與突破（20世紀初-中期）

- Alexis Carrel：1912年諾貝爾生理學或醫學獎得主，改進懸滴培養法，設計“卡雷爾培養瓶”，詳細描述三維細胞培養（利用絲綢線培養組織碎片），與Charles Lindbergh合作，后者開發血清分離方法并引入耐高壓的“Pyrex玻璃”器皿，成功培養出永生化雞胚心肌細胞系。

- HeLa細胞系（1951年）：源于Henrietta Lacks的宮頸腺癌組織，由George Gay實驗室培養成功，具有強增殖能力，至今仍廣泛應用于研究。

- 三維培養技術先驅：

- Johannes Holtfreter：開發球形細胞聚集體培養方法，通過攪拌培養瓶促進細胞接觸和營養擴散。

- Aron Arthur Moscona：利用錐形瓶持續攪拌培養細胞，防止細胞貼壁，促進三維細胞聚集體形成，開展細胞嵌合體研究。

- Joseph Leighton（20世紀50年代）：使用纖維素海綿三維基質培養細胞，證明三維培養更能模擬體內細胞行為。

3. 干細胞研究與突破（20世紀60年代-21世紀初）

- 骨髓干細胞研究：Ernst McCulloch和James Till（20世紀60年代初）通過骨髓細胞移植實驗，提出“脾集落”概念，為骨髓干細胞定義奠定基礎。

- 間充質干細胞研究：Alexander Friedenstein（20世紀60年代起）從骨髓中分離出“成纖維細胞集落形成細胞（FCFCs）”，即間充質干細胞的前身，證明其多向分化潛能。

- 胚胎干細胞：1981年，Martin Evans和Matthew Kaufman建立小鼠囊胚細胞系，Gail R. Martin使用“胚胎干細胞”術語。

- 人類胚胎干細胞：1998年，James Thomson團隊從人類囊胚內細胞團培養出人類胚胎干細胞。

- 誘導多能干細胞（iPSCs）：2006年，Kazutoshi Takahashi和Shinya Yamanaka通過Oct3/4、Sox2、Klf4、c-Myc四因子將成纖維細胞重編程為iPSCs；2007年，James Thomson團隊使用Oct4、Sox2、NANOG、Lin28四因子獲得人類iPSCs。

四、二維與三維細胞培養技術

1. 二維（2D）細胞培養

- 原理：細胞在平面貼壁表面（如培養皿、培養瓶）生長，通過特定涂層（如多聚賴氨酸、Matrigel、纖連蛋白）促進非貼壁細胞黏附。

-應用：用于研究細胞分化、遷移、生長等生理機制，廣泛應用于癌癥研究、毒性測試（如藥物候選物評估），符合“3Rs”原則（減少、優化、替代動物實驗）。

- 局限性：缺乏細胞與細胞外基質的接觸，難以模擬體內細胞結構和生理特性，部分細胞系（如肝細胞）難以在二維環境中穩定培養。

2. 三維（3D）細胞培養

- 球體（Spheroids）：由細胞自組織形成的球形聚集體，無需預定義基質，可通過懸滴法、磁懸浮等方法制備，存在營養、氧氣等梯度，核心易形成壞死區，適用于癌癥模型研究。

- 類器官（Organoids）：比球體更復雜，由干細胞或分化細胞形成，具有自組織、多細胞性和功能性，可模擬器官發生和功能，應用于遺傳疾病、腫瘤、藥物研發等領域（如腦類器官研究小頭畸形，肝類器官研究囊性纖維化）。

- 發展里程碑：1970年Robert Sutherland開發多細胞球體；1972年Tom Elsdale和Jonathan Bard使用膠原蛋白凝膠作為三維支架；1977年Matrigel被引入作為細胞外基質提取物。

- 局限性：缺乏功能性血管化，導致營養分布不均和壞死；結構組織與體內器官存在差異；操作復雜、成本高。

五、器官芯片（Organ-on-a-Chip）

- 原理：基于微流控系統，將三維細胞培養集成在芯片中，通過微通道實現細胞間相互作用，可模擬血管化、機械刺激和組織灌注。 例如英國Kirkstall Quasi Vivo多功能細胞類器官芯片

- 典型模型：

- 肺芯片（2010年）：由多孔膜分隔的兩個微通道組成，分別培養肺泡上皮細胞和肺微血管內皮細胞，可模擬呼吸運動和肺部感染。

- 心臟芯片：基于人類iPSCs分化的心肌細胞，可模擬心臟收縮（頻率55~80 bpm），用于藥物評估。

- 腦芯片：模擬神經祖細胞遷移，用于神經發育和腫瘤研究。

- 肝芯片、腎芯片、胰腺芯片：分別用于評估肝毒性、腎毒性和研究囊性纖維化相關胰腺功能障礙。

六、細胞培養的新展望

- 人體芯片（Human-on-a-Chip）：整合多個器官芯片，通過微通道模擬全身生理相互作用，有望替代動物實驗，用于系統生物學研究和藥物測試。

- 挑戰：缺乏通用細胞培養基；血管化技術尚未成熟；微通道設計需模擬體內血管特性。

- 應用前景：推動個性化 medicine 發展，加速藥物研發，深入解析疾病機制。

七、結論

二維細胞培養為生物醫學研究奠定了基礎，但存在局限性；三維細胞培養（球體、類器官）和器官芯片技術通過模擬體內微環境，在臨床前研究、藥物篩選和再生醫學中顯示出巨大潛力，未來將進一步縮小基礎研究與臨床應用的差距。

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