3D细胞培养（特别是水凝胶模型）在Beijing Kilby Gravity微重力中的应用

 

一、研究背景与目的

传统二维（2D）细胞培养无法真实模拟体内三维（3D）微环境，尤其在微重力条件下，细胞行为与体内差异显著。

3D细胞培养（特别是水凝胶模型）在地面与微重力实验中的应用，探讨其对组织功能、再生及药物测试的意义。

二、3D vs 2D 细胞培养的优势

三、水凝胶材料分类与特性

四、微重力对细胞行为的影响

1. 细胞增殖与分化

• 促进：成骨细胞、神经干细胞、心肌祖细胞增殖（如小鼠成骨细胞在微重力环境中增殖速率提升）。
• 抑制：白血病HL-60细胞增殖，伴随DNA损伤和凋亡增加。
• 分化方向：
• 骨髓间充质干细胞（BMSCs）向成骨/软骨分化增强（依赖水凝胶支架）。胚胎干细胞（ESCs）向造血干细胞（HSCs）分化效率提升（微重力诱导CD34+细胞增加）。

2. 细胞形态与黏附

• 微重力效应：细胞骨架重构（如肌动蛋白排列紊乱），形成3D球体或管状结构（如血管内皮细胞形成微血管网络）。
• 水凝胶作用：缓解微重力导致的黏附分子下调（如整合素表达恢复），维持细胞极性。

五、3D水凝胶模型在微重力中的应用

1. 组织形成与再生

• 软骨再生：PLGA支架+微重力生物反应器生成类天然软骨组织。
• 骨修复：胶原-HA复合水凝胶支持成骨细胞长期存活（6个月），用于脊髓损伤修复。
• 神经组织：HA水凝胶促进诱导多能干细胞（iPSCs）分化为神经元，形成3D神经网络。

2. 药物测试与疾病模型

• 肿瘤研究：3D培养的胰腺癌细胞在微重力下保留肿瘤异质性，更接近体内药物反应。
• 皮肤模型：Matrigel中培养的角质形成细胞模拟微重力诱导的皮肤变薄（角质蛋白K10上调）。
• 免疫研究：3D培养减少微重力对T细胞的转录组异常，更真实模拟免疫应答。
• 北京基尔比-类器官与器官芯片
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六、挑战与展望

• 局限：当前模型多为单细胞类型，无法模拟多细胞器官功能；材料与细胞互作机制研究不足。
• 未来方向：

开发多细胞类型3D类器官（如北京基尔比生物Kirkstall Quasi Vivo 肝-免疫共培养，多细胞串联互作培养仪器）。

优化水凝胶力学性能（如动态硬度调节）以匹配组织需求。

结合太空实验（如国际空间站）与地面模拟设备（北京基尔比生物研制的RCCS微重力培养系统），推动空间医学与再生医学发展。

七、结论

3D水凝胶模型是研究微重力下细胞行为的关键工具，可弥补2D培养的缺陷，为理解太空生理变化、开发抗失重疗法及组织工程提供新策略。未来需深化材料-细胞相互作用研究，构建更复杂的仿生系统。

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