摘要：癌症，这个全球性的健康挑战，一直以来都依赖于二维细胞培养和动物模型来进行研究。然而，这些传统方法在模拟人类肿瘤的复杂三维结构和动态微环境方面存在明显不足。
癌症，这个全球性的健康挑战，一直以来都依赖于二维细胞培养和动物模型来进行研究。然而，这些传统方法在模拟人类肿瘤的复杂三维结构和动态微环境方面存在明显不足。
幸运的是，3D类器官技术的出现为癌症研究带来了新的曙光。
3D类器官能够更真实地模拟肿瘤的异质性和组织力学及生物化学特性，提供了一个更接近真实肿瘤的研究平台。这项技术不仅提高了癌症研究的准确性和预测能力，还为个性化医疗和药物开发提供了新的工具。
今天，我们就来一起探索3D类器官技术如何改变癌症研究的未来。
文章介绍
题目：从2D到3D及以后：体外肿瘤模型在癌症研究中的演变和影响
杂志：Nature Methods
影响因子：32.1
发表时间：2025年7月
#1
研究背景
研究背景
癌症研究中，体外肿瘤模型是理解肿瘤生物学和评估治疗反应的关键工具。传统2D细胞培养模型在揭示癌症分子和遗传机制方面发挥了重要作用，但无法准确复制人类肿瘤的三维结构和动态微环境。
近年来，3D类器官系统的发展标志着癌症建模的范式转变，能够更真实地模拟肿瘤的异质性和组织力学及生物化学特性。
本综述探讨了3D类器官技术在癌症研究中的最新进展，包括气液界面培养、微流控肿瘤芯片设备和结合机器学习的高内涵成像等新兴方法，这些技术解决了基质变异性及免疫和血管元素有限整合等挑战，为个性化医疗和药物开发提供了新的工具。
#3
研究结果
Results
1. 2D和3D技术的历史和概述
1.1 肿瘤细胞培养的开始
癌症研究从20世纪初的2D细胞培养发展到如今的3D模型，塑造了对肿瘤生物学的理解。早期的原代细胞培养只能在衰老前存活有限时间，直到1951年HeLa细胞系的建立，为癌症研究提供了强大的工具。20世纪70年代，更多永生化和肿瘤细胞系如MCF-7和MDA-MB-231被开发出来，推动了癌症信号通路、药物反应和转移机制的研究。
如今，癌细胞系的开发仍在继续，目标是更好地捕获肿瘤内和患者间的多样性（图1）。
图1 癌症研究中体外肿瘤模型的演变。从20世纪初到现在，体外技术的时间线，从基础的2D细胞培养发展到复杂的3D类器官模型。20世纪初：发展了维持体外组织和细胞的初步技术。1951年：建立了HeLa细胞系。1970年：引入了其他不朽细胞系，并开创了使用患者来源的球体模型的三维细胞培养技术。1980年代末：可用细胞系数量显著增加。1982年：提出了细胞外基质在基因表达和细胞行为方面具有重要作用的概念，改变了对细胞微环境的理解。1986年：发现了基质胶（Matrigel），增强了在模拟组织结构的三维环境中研究细胞的能力。21世纪初：类器官技术从干细胞崛起，为研究人类疾病和组织发育提供了更准确和详细的模型。
1.2 2D培养
2D细胞培养因其简单性和均匀性，促进了对细胞内在分子过程、遗传和信号通路的理解，尤其在识别端粒酶、肿瘤抑制基因和癌基因的作用方面至关重要。这些模型还帮助理解了衰老、凋亡和自噬的细胞机制，并通过可调基底刚度和地形特征，研究肿瘤细胞的机械转导、迁移和粘附。
然而，2D模型无法捕捉肿瘤微环境中的复杂相互作用和细胞异质性，且在非生理条件下存在局限性。这些限制推动了对更复杂3D模型的研究兴趣。
1.3 3D培养
3D培养的发展始于20世纪70年代，当时建立了来自患者的球体模型，用于研究无血管肿瘤生长、癌症进展和对辐射的反应。这些球状聚集体在非贴壁条件下形成，更好地反映了实体肿瘤的极化结构和营养、氧、pH梯度。通过在培养基中添加促进球体形成的物质，如甲基纤维素或重组基膜，进一步优化了球体的形成。
1982年，Mina Bissell提出细胞外基质（ECM）不仅是支架，还通过改变组织结构影响基因表达和细胞功能。随着Matrigel的发展，这一理论得到支持，Matrigel模拟基底膜，提供结构支持和生化线索，彻底改变了3D环境下的细胞研究。
这些3D培养系统不仅模拟了发育和癌症，还表明改变肿瘤环境可能产生新的治疗策略。
2. 类器官和患者来源模型的进展
2.1 类器官
21世纪初，类器官作为研究组织发育和疾病（尤其是癌症）的突破性工具出现。正常组织来源的类器官由健康成体干细胞建立，可用于研究组织稳态、再生和疾病建模。肿瘤来源的类器官形态更不规则或致密，需基因操作模拟癌症。
类器官的形成涉及从活检或手术切除的组织中分离细胞，悬浮在重组基膜（rBM）中，并在多孔板中播种。播种后，加入组织特异性生长培养基，类器官通常生长7-14天。
类器官也可从干细胞（包括成体干细胞、胚胎干细胞或诱导多能干细胞）产生，用于研究细胞分化、遗传修饰和发育途径。
2.2 患者来源的类器官（PDO）
在合适的培养条件下，细胞可以在rBM中繁殖并自组装成微型组织，这一发现推动了肿瘤组织来源的类器官的产生。PDO通过活检、手术切除或细针穿刺获得，保留了原始肿瘤的突变、异质性和特征。
PDO的建立取决于肿瘤类型、样品质量和处理条件。组织经过机械和酶消化后，癌细胞被重悬在rBM中并播种。培养基根据肿瘤类型定制，通常包括Wnt通路激活剂、表皮生长因子等。PDO在7-14天内自组织成3D结构，形成肿瘤样器官。
PDO已从多种癌症类型中建立，包括脑癌、结肠癌、胰腺癌等。它们可以扩展、繁殖甚至长期冷冻保存，为个性化医疗提供了变革潜力。PDO的建立效率因肿瘤类型和样本质量而异，从20%到80%不等。
2.3 局限性
尽管PDO在模拟肿瘤异质性和药物反应方面具有优势，但它们在建立、可扩展性、标准化和肿瘤微环境表征方面存在局限性。目前的类器官模型缺乏完整的肿瘤微环境，特别是免疫系统成分和足够的血管化。样本间的差异和培养条件的不一致也影响了类器官的生长和行为。
微器官球（MOS）利用液滴微流体技术从小活检样本中快速生成肿瘤球体，保留了原生基质和免疫细胞，适用于药物筛选和免疫治疗测试，但在标准化和临床验证方面仍面临挑战。
另一项创新是“肿瘤芯片”技术，将PDO与微流体平台结合，模拟肿瘤微环境和转移过程，为个性化医疗和抗转移疗法测试带来希望。此外，研究人员正在尝试将血管和免疫元素整合到类器官模型中，以更准确地反映人类肿瘤的复杂性。尽管取得了一些进展，但技术和生物障碍仍然存在，需要进一步研究以克服这些挑战。
3.远景
3.1 改进类器官方法，认识到一种方法不适合所有人
尽管癌症3D模型取得了巨大进步，但大多数模型依赖于rBM（如Matrigel）作为ECM基板。rBM来源于EHS小鼠肉瘤，富含ECM蛋白，如层粘连蛋白和IV型胶原。然而，rBM的天然来源导致批次间可变性，影响实验结果的可重复性。为解决这一问题，研究人员建议采用标准化方法，包括在出版物中指定批号并描述测试方法。
rBM的另一个局限性是其不能充分模拟组织内自然3D环境的纤维性。相比之下，I型和III型胶原是组织中最丰富的ECM蛋白，由成纤维细胞产生，对组织力学至关重要。胶原纤维形成多孔网状结构，支持细胞间相互作用，这对于细胞形状、组织和功能至关重要。因此，尽管rBM为3D研究提供了方便平台，但其组成偏离天然ECM，限制了其在复制体内细胞行为方面的效用。
未来的类器官技术将受到材料科学、组织工程和培养基成分创新的推动。例如，先进的气液界面（ALI）方法使用胶原蛋白作为ECM底物，提高了类器官的建立和生长效率。ALI方法通过模拟生理条件，允许更好的营养和气体交换，促进类器官发育。
此外，水凝胶（无论是天然的还是合成的）提供了rBM或胶原蛋白的替代品，并为控制微环境和提高3D类器官模型的效率提供了几个优势。水凝胶的微图案化可以用来在时间和空间上控制基质性质，这在rBM或胶原蛋白方法中是不可能实现的。
水凝胶可以定制为具有特定的机械性能，例如刚度，这对于控制细胞行为很重要。例如，脑类器官需要更柔软的基质来进行适当的神经发育，而软骨等组织可能需要更坚硬的环境。
最近的研究表明，将胶原蛋白与其他ECM成分结合的水凝胶可以调节底物的机械张力，促进类器官的发育和形态发生。脑组织的主要ECM成分是透明质酸，它为其他ECM分子提供了一个支架，在维持大脑独特的细胞外环境方面起着关键作用。
对于癌症研究，使用类器官基质模拟组织的发育阶段可能是非常有用的，因为它们可以复制组织从更原始的状态发展到完全形成组织的各个阶段。这一进展对于研究正常细胞过程在癌症发生过程中如何脱轨以及肿瘤如何从早期癌前阶段演变为完全恶性肿瘤至关重要。
通过模拟组织的发育阶段，有可能观察到在发育过程中突变或环境因素的哪个点可以使组织在以后的生命中更容易发生细胞转化。这对于了解癌症发展的早期阶段和确定潜在的干预点特别有用。
4. 集成新兴的成像和分析技术
先进的成像技术对释放类器官模型的潜力至关重要。动态高通量3D和高分辨率成像使研究人员能够实时观察类器官内的细胞迁移、分化和生长，这对于研究组织发育、疾病进展或药物反应等长期过程特别有用。
例如，实时成像显示乳腺类器官发育的不同阶段，揭示了非典型导管形态发生过程和上皮-间充质转变的关键作用。将这些技术扩展到癌症研究中，可以为克隆动力学、癌症进展和转移提供见解，有助于开发更有效的癌症治疗和诊断工具。
机器学习和人工智能技术的集成正在迅速发展，增强了跟踪和分析类器官内细胞动力学的能力。这些技术可以用于自动检测、分割和跟踪类器官中的细胞结构，提高对肿瘤异质性、侵袭性和药物反应的理解。
5. HTS面临的挑战与前景
高通量筛选（HTS）在癌症药物发现中至关重要，但将3D类器官模型应用于HTS面临挑战，包括类器官的复杂性、异质性、长培养时间和劳动密集型维护。最新进展如自动化、成像和计算分析正在解决这些限制。
Choo等人开发了前列腺癌类器官的高通量成像检测方法，结合自动化跟踪和机器学习评估药物反应。Li等人建立了z轴堆叠荧光成像方法，跟踪3D类器官的生长和治疗效果。Lee等人利用高通量成像和计算建模量化管腔压力和细胞增殖对胰腺类器官形态的影响。
基于微流体的培养系统和自动化液体处理平台提高了可扩展性和精确操作。深度学习图像分析和代谢成像提高了药物反应预测的准确性。这些创新表明，通过自动化处理、先进成像和生物工程培养系统的结合，可以优化基于类器官的HTS，使其成为药物发现和精准医学的可靠临床前平台。
结论
3D类器官技术正在改变癌症研究的面貌，它们能够更真实地模拟肿瘤的异质性、组织力学和生物化学特性，提供了一个更接近真实肿瘤的研究平台。这项技术不仅提高了癌症研究的准确性和预测能力，还为个性化医疗和药物开发提供了新的工具。
最新的进展包括气液界面培养、微流控肿瘤芯片设备以及结合机器学习的高内涵成像技术，这些方法共同解决了基质变异性以及免疫和血管元素有限整合等长期挑战。
随着这些技术的不断发展和完善，3D类器官有望在癌症治疗中发挥更大的作用，为患者带来新的希望。
参考文献
Rauner G, Gupta PB, Kuperwasser C. From 2D to 3D and beyond: the evolution and impact of in vitro tumor models in cancer research. Nat Methods. 2025 Jul 25. doi: 10.1038/s41592-025-02769-1.
来源：培养盒守护者