从 “简单平板” 到 “器官芯片”：细胞培养的逆袭之路

生物制品圈 · 公众号 · 生物 · 2025-03-03 09:59

正文

摘要：本文回顾细胞培养历史，其始于 19 世纪 80 年代威廉・鲁克斯的实验，罗斯・格兰维尔・哈里森、卡雷尔等科学家相继推动其发展，约翰内斯・霍尔特弗雷特等人创新三维细胞培养技术。2006 年诱导多能干细胞问世，此后细胞球、类器官和器官芯片技术不断涌现。文章阐述了细胞培养发展中的关键突破、困难及克服过程，还探讨了未来研究方向，有望促进更有效和个性化治疗的开发。

图 1. 细胞围绕浸有血浆的丝线生长的示意图

一、细胞培养的起源与早期探索

细胞培养是在体外模拟细胞自然生长环境，让细胞脱离机体后仍能生长繁殖的技术。它起源于 19 世纪末 20 世纪初，与胚胎学、生物发育及癌症研究紧密相连。

图 2. 1885 年以来对细胞培养科学知识和技术有贡献的研究人员时间线回顾

19 世纪 80 年代，德国的罗伯特・科赫在微生物培养技术上取得重大突破。当时，他致力于研究致病菌，成功鉴定出结核杆菌和霍乱弧菌，这一成果为他赢得了 1905 年的诺贝尔医学奖。科赫用明胶固化培养基，让其在培养瓶中形成均匀膜状层，极大便利了微生物的分离、鉴定和培养，成为现代细胞培养技术的重要基石。同时，他强调实验室物品灭菌的重要性，有效避免样本污染，保障了实验结果的准确性。同一时期，德国实验胚胎学家威廉・鲁克斯大胆创新，将禽类胚胎细胞置于生理盐水溶液中，成功维持了细胞生命，为细胞培养技术发展奠定了基础。

1906 年，罗斯・格兰维尔・哈里森在约翰霍普金斯大学开展了开创性实验。他专注于在试管中培养组织样本，尤其深入研究青蛙神经纤维的发育。哈里森把器官碎片放在含有血凝块、生理盐水和琼脂的液体培养基里，还开发了 “悬滴” 技术，就是将细胞培养在载玻片底部的血浆滴中。通过这些方法，他成功观察到神经纤维在体外的发育过程。不过，细菌污染问题一直阻碍着研究进展。为此，哈里森引入无菌操作方法，对手术材料灭菌、加热实验玻璃器皿，让实验和细胞培养能持续更长时间。

亚历克西・卡雷尔是细胞培养领域的重要人物，1912 年因在外科手术中引入缝合技术获得诺贝尔医学奖。他在哈里森研究的基础上，进一步优化细胞培养方法。卡雷尔用玻璃平板盖培养悬滴中的细胞，发现细胞能在组织外增殖，还可转移到新平板上操作。基于此，他发明了 “卡雷尔烧瓶”，成为现代细胞培养烧瓶的前身。卡雷尔还成功分离和培养了源自鸡胚胎心脏的永生细胞系，引发广泛关注。他与查尔斯・林德伯格合作，林德伯格开发了分离血清的方法，引入耐高温的 “派热克斯玻璃” 用于细胞培养，这种玻璃器皿能在高压灭菌器中消毒，为细胞培养创造了更可靠的条件。

卡雷尔之后，众多科学家继续探索改进细胞培养技术。约翰内斯・霍尔特弗雷特创新方法促进细胞三维发展；阿隆・亚瑟・莫斯科纳优化细胞培养技术；约瑟夫・莱顿通过实验证实三维细胞培养在模拟体内细胞行为方面的优势。他们的努力推动了细胞培养技术不断向前发展。

二、细胞培养技术的关键突破与发展

随着时间推移，细胞培养技术不断取得新突破。20 世纪 60 年代，恩斯特・麦卡洛克和詹姆斯・蒂尔进行了一系列实验。他们将骨髓细胞注入受辐射的小鼠体内，观察到小鼠脾脏形成小的结节，且结节数量与注入的骨髓细胞数量成正比。他们将这些结节命名为 “脾集落”，并推测每个结节可能源自单个骨髓干细胞。后续研究中，他们与安迪・贝克尔、卢・西米诺维奇合作，进一步巩固了骨髓干细胞自我更新能力的概念，为干细胞研究奠定了重要基础。

同一时期，亚历山大・弗里登斯坦从骨髓细胞培养中，鉴定并分离出一类非造血细胞。这类细胞贴附在培养瓶上，呈成纤维细胞样外观，能形成离散的克隆集落，即 “成纤维细胞集落形成细胞”（FCFCs）或 “成纤维细胞集落形成单位”（CFU - F）。体内移植实验证明，CFU - F 具有多能性，能分化为多种间充质 / 中胚层来源的细胞，如骨细胞、软骨细胞和脂肪细胞。后来，这类细胞被命名为 “骨髓基质干细胞”，现在普遍称为 “间充质干细胞”（MSCs）。弗里登斯坦的发现为细胞治疗和再生医学开辟了新方向。

20 世纪 80 年代起，干细胞研究进入快速发展阶段。科学家们成功分离和培养出小鼠胚胎干细胞。1981 年，马丁・埃文斯和马修・考夫曼建立了源自小鼠囊胚的细胞系，这些细胞在体外能分化，注入小鼠体内可形成含有三个胚层细胞的肿瘤 —— 畸胎瘤。同年 12 月，盖尔・R・马丁也发表相关成果，并首次在文献中使用 “胚胎干细胞” 这一术语。1998 年，詹姆斯・汤姆森首次成功培养出人类胚胎干细胞，这些细胞具有广泛的分化潜能，为研究人类发育和疾病治疗提供了新途径。

2006 年，山中伸弥和高桥和利取得了干细胞研究领域的重大突破。他们通过实验，利用特定的转录因子（Sox2、Oct3/4、Klf4 和 c - Myc），将已分化的成纤维细胞重编程为诱导多能干细胞（iPSCs）。iPSCs 具有与胚胎干细胞相似的特性，这一成果为个性化医疗带来了新希望，引发了干细胞研究领域的重大变革。

图 3. 研究中用作实验模型的细胞培养技术示意图

三、二维与三维细胞培养技术

二维细胞培养是将细胞在平面培养表面进行培养，在生物医学研究中应用广泛。它可用于研究细胞生理机制、细胞分化、迁移和生长等过程，还能进行药物筛选和毒性测试。二维细胞培养操作简单、成本低，但存在明显局限性。在二维培养环境中，细胞与细胞外基质接触不充分，无法完全模拟体内生理环境，可能导致细胞行为和功能改变。而且，二维培养的细胞形态和组织结构与体内实际情况有差异，会影响研究结果的准确性。

为克服二维细胞培养的局限，三维细胞培养技术应运而生。三维细胞培养能更真实地模拟体内细胞生长环境，包括细胞 - 细胞和细胞 - 细胞外基质的相互作用。它能更好地反映细胞生理功能和行为，为研究疾病发生机制、药物研发和再生医学提供更有效的模型。

三维细胞培养模型包括球体和类器官等。球体是细胞自发或在外部刺激下形成的三维细胞聚集体，能模拟胚胎发育、形态发生和器官发生过程中的自然事件。球体在疾病研究、药物筛选等领域应用广泛。类器官是更复杂的三维系统，由干细胞或分化细胞自组织形成，具有类似器官的结构和功能。类器官可用于研究各种疾病的病理生理机制、药物研发和细胞治疗等方面。例如，肝脏类器官可用于研究肝脏疾病，脑类器官可用于研究神经系统疾病。不过，三维细胞培养模型也存在一些问题，如缺乏功能性血管化、结构组织不够完善等，限制了其在研究中的应用。

四、器官芯片技术的崛起

器官芯片技术是近年来兴起的前沿细胞培养技术。它基于微流控系统，将多种三维细胞培养整合在一个系统中，通过微管和微结构实现细胞之间的相互作用。器官芯片能模拟人体器官的功能和微环境，具有高度可控性和可重复性。比如，肺芯片可模拟肺部呼吸运动和气体交换过程，心脏芯片能模拟心脏收缩和舒张功能。器官芯片在药物研发、疾病建模和毒理学研究等方面潜力巨大，能为个性化医疗提供更精准的方案。

图4. （A）传统和（B）三维细胞培养研究模型。（C）用于开发人体芯片的单个器官芯片关联（连接）示意图

2010 年，哈佛大学的研究人员开发出首个肺芯片模型。他们构建了一个微流控系统，由两个被多孔聚二甲基硅氧烷（PDMS）膜隔开的微通道组成。膜上涂有特定细胞外基质，然后在膜两侧分别培养人类肺泡上皮细胞和肺微血管内皮细胞。当细胞达到合适的融合度后，通过去除上通道的液体并在培养室两侧施加真空，实现气液界面，模拟呼吸运动的生物力学力，更精确地模仿肺的自然功能。该研究展示了肺芯片在模拟细胞对肺部细菌感染的反应、评估肺部炎症反应和进行化合物毒性研究等方面的潜力。

此后，基于类似设计，多种器官芯片模型相继问世。如加利福尼亚大学的研究人员开发的心脏芯片模型，能模拟心脏细胞的自发收缩，在药物研究和发育生物学研究中展现出优势；约翰霍普金斯大学和耶鲁大学的研究团队开发的脑芯片模型，可用于研究神经祖细胞在中枢神经系统中的迁移机制；华盛顿大学的研究人员建立的肾脏芯片模型，成功评估了多肽抗生素多粘菌素 B 及其类似物的肾毒性；还有研究人员开发的肝脏芯片模型、胰腺芯片模型等，在各自领域都发挥了重要作用。

五、细胞培养技术面临的挑战与未来展望

尽管细胞培养技术已取得巨大进步，但仍面临诸多挑战。动物模型在临床前研究中仍占据重要地位，但存在物种差异、成本高和伦理问题等局限性。三维细胞培养和器官芯片技术虽优势明显，但还需进一步优化和标准化。目前缺乏通用的细胞培养基，不同细胞类型对培养基要求不同，这会影响实验结果的可靠性和重复性。而且，器官芯片的构建和操作技术也有待改进，以提升其性能和应用范围。

展望未来，细胞培养技术将朝着更复杂、更精准的方向发展。科学家们致力于开发更逼真的人体生理模型，减少对动物实验的依赖。整合多个器官芯片的 “人体芯片” 技术前景广阔，它能模拟整个人体生理系统和复杂相互作用，为研究全身性疾病和药物整体效应提供有力工具。细胞培养技术还将与人工智能、基因编辑等新兴技术结合，推动生物医学研究快速发展，为人类健康带来更多福祉。

细胞培养技术的发展历程是一部充满创新和突破的历史。从早期的艰难探索到如今的器官芯片时代，每一步都凝聚着科学家们的智慧和汗水。随着技术的不断进步，细胞培养将在生物医学领域发挥更重要的作用，为我们揭示更多生命奥秘，提供更多治疗疾病的有效方法。让我们共同期待细胞培养技术在未来创造更多奇迹！

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