3D 细胞培养系统与类器官在再生医学中的应用

该综述聚焦3D 细胞培养系统与类器官在再生医学中的应用，对比了其与 2D 细胞培养在生理相关性上的优势，指出天然基质（如 Matrigel）存在动物来源、成分不确定等局限性，强调合成支架（如自组装肽、PEG、PLG 等）因可定制性、生物相容性等特点成为更优选择；详细阐述了合成支架的设计关键参数（机械、物理化学、生物特性）、制备技术（细胞包封、微流控、3D 生物打印等），并通过具体案例展示其在脑 / 脊髓、肝脏、胰腺、心脏等组织工程中的应用，最后展望了该领域向临床转化的前景与挑战。

一、研究背景与基础概念

2D 与 3D 细胞培养的差异

2D 细胞培养虽广泛用于细胞增殖、分化等研究，但无法模拟体内异质微环境（如细胞信号传递、生化梯度、3D 空间结构），导致结果对体内环境的预测性差；3D 细胞培养通过天然或合成细胞外基质（ECM）样支架，构建更接近体内的微环境，可重现细胞 - 细胞、细胞 - 基质相互作用，成为生命科学领域的重要突破。

3D 细胞培养系统与类器官的定义及异同

相似点：均为3D 构建体，可提供人工微环境支持细胞生长、分化，支持长期培养（最长达1 年），且可解离后重新接种实现克隆培养。

差异点：类器官是3D 细胞培养系统的亚型，需满足 4 个核心特征：①至少 2 种相互作用的细胞类型；②3D 多细胞结构；③干细胞 / 祖细胞自组织形成器官特异性超细胞结构；④具备类似天然组织的功能（如胰腺类器官分泌胰岛素）；而 3D 细胞培养系统多为细胞随机排列，功能模拟程度较低。

二、支架的分类与设计关键

1. 天然支架的局限性
   以 Matrigel 为代表的天然支架（含层粘连蛋白、IV 型胶原、生长因子如 TGF-β）虽能支持细胞生长，但存在致命缺陷：①动物来源（小鼠肿瘤提取物），有 pathogen 传播风险；②成分不明确（生长因子含量批次差异，如两批次弹性模量差异达2 倍：400 Pa vs 840 Pa）；③化学可调控性低，难以满足临床转化需求。
2. 合成支架的优势与设计参数
   合成支架因成分可控、可定制、无外源污染等特点成为替代方案，其设计需匹配目标组织特性，关键参数如下表：

三、合成支架的制备技术

传统技术：细胞包封
将细胞与液态水凝胶混合后凝胶化，形成 3D 构建体，可保护细胞免受免疫系统攻击，介导与宿主环境的相互作用。例如，PEG-4MAL 水凝胶包封人 PSC 衍生球状体，可生成与 Matrigel 性能相当的类器官，且能用于小鼠结肠损伤修复，提升类器官植入率。

1. 先进制备技术
   各类技术通过精准调控结构 / 功能，拓展合成支架的应用场景，具体如下表：

四、组织工程应用案例

1. 神经组织（脑 / 脊髓）

• 多官能化 SAP（HYDROSAP）包封人神经干细胞（NSCs），体外培养6 周后形成电活性神经元网络（含 GABA 能、谷氨酸能神经元），植入脊髓损伤大鼠模型后，减少星形胶质增生，改善行为学恢复。
• 功能化 RADA16（结合 RGD+IKVAV）支架，无需额外生长因子即可支持神经前体细胞（NPCs）分化为神经 / 胶质细胞，修复坐骨神经缺损、脑出血等模型。

2. 内胚层器官（肝脏、胰腺）

• 肝脏：PEG 反胶体晶体支架支持 iPSC 衍生肝祖细胞分化，植入免疫缺陷小鼠后，基因表达、药物代谢与成年肝脏相似；PEG-RGD 水凝胶包封胆管细胞，形成类似 Matrigel 的囊肿结构，为胆管模型提供合成方案。
• 胰腺：多糖 - 聚胺共聚物支架包封胰岛，植入糖尿病小鼠后，2 周内降低高血糖，形成胰腺样类器官并诱导新生血管；DEX-RGD 水凝胶在无血清条件下支持人胰腺类器官长期扩增（保持基因组稳定）。

3. 中胚层器官（心脏、肾脏）

• 心脏：RADA16-QHREDGS 支架载骨髓间充质干细胞（BMSCs），减少心梗疤痕面积和细胞凋亡；3D 打印 PEGDMA 微通道支架，BMSCs 分泌 VEGF/IL-8 等因子，抑制缺血性损伤纤维化。
• 肾脏：PDMS 支架构建定制化肾 tubule，模拟肾上皮特性；iPSC 衍生肾类器官结合 PLG/PCL 支架，移植后形成类似成人气道的管状结构。