2024年12月電子報
細胞培養技術是生物醫學研究中的基石。靜態細胞培養法自被發明以來便成為實驗室研究的主流，主要利用培養皿或多孔板來支持細胞的生長。然而，隨著科學家對細胞微環境的理解加深，人們發現靜態培養系統在模擬真實生理環境上存在明顯的限制。靜態培養中缺乏機械力、流速剪切力等刺激，細胞的基因表達、蛋白質分泌和行為往往偏離真實狀態，難以準確反映體內環境。
為了克服這些挑戰，動態細胞培養技術應運而生。這類技術能施加受控的機械力，如拉伸、剪切力或壓縮，幫助模擬細胞在體內的微環境，從而提供更準確的生物學資訊。特別是 TAIHOYA ATMS 動態拉伸培養系統，作為台灣機械力動態培養的先驅工具，成為研究細胞力學生物學的重要資產。
靜態細胞培養的特性與應用
靜態細胞培養（static cell culture）是最早開發的細胞研究方法之一。細胞通常被培養在平面基質（如塑膠培養皿或玻璃片）上，在靜止液體培養基中生長。其主要特點如下：
1. 操作簡單、成本低廉：靜態培養設備價格相對低廉，操作步驟易於掌握，適合大多數實驗室的基礎研究需求。由於細胞被固定在一個靜止的培養環境中，變數較少且易於控制。
2. 適合初步篩選：在藥物篩選或基礎細胞行為研究中，靜態培養仍然是主流選擇。例如，對化學藥物的毒性測試或基因敲除對細胞增殖的影響，靜態培養能快速產生大量初步數據。
限制：缺乏生理模擬能力
靜態培養環境的最大局限在於其無法再現體內的多維生理條件，例如流體剪切力和三維細胞交互。因此，細胞行為和基因表達與體內差異較大。
- 基因表達的差異： 靜態培養中，細胞基因表達與體內環境的差異會導致錯誤的實驗結論。例如，Wang 和 Thampatty (2006) 指出，細胞受到力學刺激後，會啟動特定的基因表達及訊號通路，這在靜態培養中無法被模擬。【DOI: 10.1007/s10237-005-0012-z 】
- 細胞分化和功能的偏差： 研究表明，靜態培養細胞的分化潛能可能不如動態培養。例如，骨骼肌細胞在靜態條件下培養時無法表現出類似於肌肉收縮的功能。
- 疾病模型的準確性不足： 靜態培養系統難以模擬某些疾病的力學病理特徵，例如血管硬化或骨質疏鬆，這導致了實驗結果在轉化到臨床時的失敗率提高。
動態細胞培養的特性與優勢
隨著科學技術的進步，動態細胞培養（dynamic cell culture）成為模擬真實生理條件的重要工具。這類培養系統利用生物反應器、流體剪切力裝置或旋轉培養瓶等設備，創造出接近體內的動態環境。其主要特性包括：
- 力學刺激的應用：動態培養能模擬血液流動、組織張力或壓力波動等物理力學條件，刺激細胞表現更接近體內的行為。研究案例：骨髓間質幹細胞在動態環境中受流體剪切力刺激，促進其向骨細胞分化，表現出與體內骨生成相似的特性【DOI：10.1007/s10404-011-0820-7】。
- 三維細胞結構的形成：在動態培養系統中，細胞通常在三維支架上生長，能夠更好地模擬體內組織結構及細胞間的交互作用。這對再生醫學的應用意義重大，例如培養功能性心臟組織或肝臟組織。
- 模擬動態生理環境：動態系統通過調整流速、壓力和氧氣濃度等條件，能再現器官特定的生理環境，例如心肌細胞的拉伸，實驗證明Piezo1會對拉伸有所感應，機械傳感蛋白與心肌細胞的機械刺激存在直接關聯。【https://doi.org/10.3390/jcm7110410】
- 藥物代謝和毒性研究的優勢：動態培養能模擬藥物在人體中的吸收、分布和代謝途徑，可以減少在靜態培養下其數據與動物模型數據之間的偏差。
靜態與動態培養系統的差異比較
| 特性 | 靜態培養 | 動態培養 |
|---|---|---|
| 操作難易度 | 簡單易行，適合基礎研究 | 設備複雜，需熟練操作 |
| 模擬真實生理能力 | 限制於平面，力學條件缺失 | 接近體內，能模擬多維物理環境 |
| 成本 | 低，適合大規模初步篩選 | 高，適合精密研究 |
| 細胞行為 | 單層細胞生長，交互作用有限 | 三維結構，細胞行為更自然 |
| 應用領域 | 初步藥物篩選、基礎研究 | 再生醫學、高精度藥物研究 |
實驗數據的差距與挑戰
由於靜態與動態培養系統在物理條件、基因表達和細胞行為模擬方面的差異，兩者的實驗數據在某些領域存在顯著差距。
- 基因表達：靜態環境中的基因表達可能與體內不符。例如，機械拉伸促進BNP（腦鈉肽）和c-Jun等基因的表達，而Drp1抑制劑（如Mdivi-1）可減少這些基因的誘導。【doi:10.1111/febs.16263】。
- 細胞分化：幹細胞在靜態培養中的分化效率往往較低，並可能偏離體內分化方向。動態環境中的力學刺激可引導幹細胞向目標細胞分化，提高應用潛力。
- 藥物效應測試：靜態培養可能低估藥物的毒性或高估其療效。例如，某些靶向藥物在靜態培養中的IC50值遠低於動物模型中測得的值，導致臨床試驗失敗率升高。
未來應用與發展方向
靜態與動態細胞培養系統各有其優勢和局限，兩者的選擇應依據實驗目的和研究階段而定。未來，隨著技術進步，動態培養系統有望在以下幾個方向實現突破：
- 個性化醫療：將患者細胞放入動態培養系統中，模擬患者的特定生理條件，進行精準藥物篩選和治療方案制定。
- 全自動化培養設備：開發智能化生物反應器系統，自動調節動態培養參數，減少人工干預並提升可重複性。
- 動物實驗替代方案：透過動態培養系統與3D打印技術結合，開發出接近體內器官功能的「類器官」，用於毒性測試和疾病模型研究，減少動物使用。
- 高通量篩選平台：整合動態培養與高通量篩選技術，加速藥物篩選過程，降低研發成本。
結語
細胞培養技術正朝著更高精度和生理模擬能力的方向發展。靜態培養雖然仍是基礎研究的重要工具，但動態培養系統憑藉其模擬真實生理條件的優勢，逐漸成為生物醫學研究的主流趨勢。未來，透過將兩者的優勢相結合，我們將能更準確地探索細胞行為、疾病機制及藥物效應，助力生物醫學領域的重大突破。
