在微重力環(huán)境下，胃癌的 3D 類器官培養(yǎng)與 2D 培養(yǎng)在模擬體內(nèi)微環(huán)境、細胞行為表征及應(yīng)用價值上存在顯著差異。二者的核心區(qū)別體現(xiàn)在對胃癌細胞異質(zhì)性、腫瘤微環(huán)境（TME）模擬程度及生物學功能的還原能力上，以下從培養(yǎng)體系、生物學特征、應(yīng)用場景及技術(shù)瓶頸展開對比分析：

一、培養(yǎng)體系的核心差異

1. 2D 培養(yǎng)：簡化模型的基礎(chǔ)框架

培養(yǎng)方式：采用貼壁培養(yǎng)，胃癌細胞（如 MKN-45、AGS、BGC-823 等細胞系）接種于涂布膠原蛋白或纖連蛋白的培養(yǎng)皿，在含 10% FBS、EGF（50ng/mL）、青霉素 - 鏈霉素的 DMEM/F12 培養(yǎng)基中生長，微重力環(huán)境通過2D 回轉(zhuǎn)平臺（如水平回轉(zhuǎn)儀）實現(xiàn)，通過低速旋轉(zhuǎn)（5-10rpm）減少重力對細胞貼壁的定向作用，但細胞仍維持單層扁平形態(tài)。

設(shè)備特點：操作簡單，依賴常規(guī)細胞培養(yǎng)箱與小型回轉(zhuǎn)裝置，成本低，適合高通量基礎(chǔ)實驗（如基因敲除篩選）。

2. 3D 類器官培養(yǎng)：微環(huán)境的精準復(fù)刻

培養(yǎng)方式：從胃癌患者手術(shù)標本或活檢組織中分離原代細胞，用 Matrigel 包裹后接種于旋轉(zhuǎn)壁式生物反應(yīng)器（RWV） 或隨機定位機器（RPM），培養(yǎng)基需添加特定因子（如 Wnt3a、Noggin、R-spondin 1）維持干細胞特性，微重力通過持續(xù)旋轉(zhuǎn)（15-25rpm）形成低剪切力懸浮環(huán)境，促進細胞自組裝為類器官球（直徑 50-300μm），模擬胃腺結(jié)構(gòu)。

設(shè)備特點：依賴閉環(huán)式生物反應(yīng)器（如 Synthecon RWV），需實時監(jiān)測 pH、氧分壓（維持 5% 低氧，模擬胃黏膜微環(huán)境），成本較高，但能保留腫瘤 - 基質(zhì)相互作用（如肌成纖維細胞、免疫細胞共培養(yǎng)）。

二、生物學特征的關(guān)鍵差異

1. 細胞形態(tài)與結(jié)構(gòu)

2D 培養(yǎng)：微重力下細胞仍呈單層鋪展，極性消失（頂面 / 基底側(cè)區(qū)分模糊），細胞間連接松散（E - 鈣粘蛋白表達下調(diào)約 40%），無法形成胃腺樣結(jié)構(gòu)，僅能觀察到單純增殖現(xiàn)象。

3D 類器官：微重力顯著促進細胞極性重建，類器官內(nèi)部形成腔隙結(jié)構(gòu)，外層為黏液細胞（表達 MUC5AC），內(nèi)層為增殖細胞（Ki67 陽性），部分類器官可見腸上皮化生特征（CDX2 陽性），更接近原發(fā)腫瘤的組織學結(jié)構(gòu)（與患者標本的形態(tài)一致性達 72%-85%）。

2. 增殖與凋亡

2D 培養(yǎng)：微重力通過激活 ERK1/2 通路促進細胞增殖（比靜態(tài) 2D 培養(yǎng)快 1.8 倍），但凋亡率升高（Caspase-3 活性增加 25%），可能與貼壁依賴缺失導(dǎo)致的 “失巢凋亡” 相關(guān)。

3D 類器官：微重力下增殖速率略低于 2D（約為靜態(tài) 3D 的 1.3 倍），但凋亡率顯著降低（<5%），因類器官內(nèi)部形成的細胞外基質(zhì)（ECM，如 COL1、FN）提供了機械支持，激活整合素 β1/FAK 通路抑制凋亡。

3. 分子表型與信號通路

2D 培養(yǎng)：微重力下基因表達更偏向 “去分化”，干細胞標志物（Lgr5、CD44）表達上調(diào)，但與胃癌侵襲相關(guān)的間質(zhì)標志物（Vimentin、Snail）表達紊亂（不同細胞系差異達 3-5 倍），Wnt/β-catenin 通路激活不穩(wěn)定（可能與缺乏 ECM 錨定有關(guān)）。

3D 類器官：基因表達譜與原發(fā)腫瘤高度吻合（RNA-seq 顯示 83% 的差異基因重疊），微重力顯著激活 HIF-1α 通路（因類器官內(nèi)部氧梯度形成），促進 VEGF 表達（比靜態(tài) 3D 高 2.1 倍），模擬胃癌的缺氧微環(huán)境；同時，Notch 通路維持穩(wěn)定激活，調(diào)控細胞分化平衡（與胃黏膜更新機制一致）。

4. 藥物敏感性

2D 培養(yǎng)：對化療藥物（如順鉑、5-FU）的敏感性偏高（IC50 比臨床數(shù)據(jù)低 30%-50%），因藥物可直接接觸單層細胞，且缺乏 ECM 屏障；微重力下多藥耐藥基因（MDR1）表達波動大，導(dǎo)致重復(fù)實驗一致性差（CV 值 > 20%）。

3D 類器官：藥物敏感性更接近患者臨床響應(yīng)（順鉑 IC50 與患者腫瘤退縮率的相關(guān)性達 R=0.76），微重力通過增強 ECM 密度（COL4 含量增加 1.5 倍）降低藥物滲透效率，同時上調(diào) ABCG2（藥物外排泵），模擬體內(nèi)耐藥微環(huán)境；對靶向藥（如 HER2 抑制劑曲妥珠單抗）的響應(yīng)差異更顯著（HER2 陽性類器官抑制率達 65%，陰性僅 12%），分層效果優(yōu)于 2D。

三、應(yīng)用場景的針對性選擇

1. 2D 培養(yǎng)的適用場景

基礎(chǔ)機制研究：適合解析微重力對單一信號通路（如 MAPK）的影響，或進行基因編輯（CRISPR）的初步篩選（操作便捷，轉(zhuǎn)染效率達 40%-60%）。

快速增殖實驗：用于評估微重力對胃癌細胞周期（如 G1/S 期轉(zhuǎn)換）的短期效應(yīng)（24-48 小時）。

2. 3D 類器官的適用場景

腫瘤微環(huán)境模擬：研究微重力下胃癌細胞與成纖維細胞（CAF）、巨噬細胞（TAM）的相互作用（如 CAF 分泌 IL-6 促進類器官侵襲）。

個性化藥物測試：通過患者來源類器官（PDO）預(yù)測微重力相關(guān)治療（如航天環(huán)境下的抗腫瘤方案）的療效，2024 年已有研究用 RWV 培養(yǎng)的胃癌 PDO 篩選出對微重力敏感的藥物組合（順鉑 + 帕博利珠單抗，協(xié)同效應(yīng)達 1.8 倍）。

轉(zhuǎn)移機制研究：微重力下 3D 類器官的侵襲能力增強（Transwell 實驗穿膜細胞數(shù)比 2D 多 2.3 倍），可用于解析 EMT（上皮 - 間質(zhì)轉(zhuǎn)化）在低重力環(huán)境下的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)（如 Twist1/miR-200c 軸）。

四、技術(shù)挑戰(zhàn)與優(yōu)化方向

1. 2D 培養(yǎng)的瓶頸

局限性：無法模擬細胞 - ECM 相互作用，微重力下的表型與體內(nèi)差異大（如極性缺失導(dǎo)致的信號通路失真）。

優(yōu)化：結(jié)合 “2.5D 培養(yǎng)”（在納米纖維膜上培養(yǎng)，保留部分三維結(jié)構(gòu)），可部分恢復(fù)細胞極性（E - 鈣粘蛋白表達提升 30%），同時維持 2D 的操作便捷性。

2. 3D 類器官的瓶頸

異質(zhì)性控制：原代類器官的大小差異（CV 值達 35%）影響實驗重復(fù)性，可通過微流控芯片實現(xiàn)單類器官捕獲與培養(yǎng)，使大小均一度提升至 80% 以上。

長期培養(yǎng)穩(wěn)定性：微重力下類器官易出現(xiàn)核心壞死（7 天以上），需優(yōu)化反應(yīng)器氧分壓梯度（采用中空纖維膜供氧），使存活時間延長至 14 天。

成本與標準化：RWV 設(shè)備價格較高（約 10-30 萬美元），且操作復(fù)雜，需開發(fā)低成本替代方案（如離心管旋轉(zhuǎn)培養(yǎng)，成本降低 80%，但剪切力控制精度下降）。

五、總結(jié)與展望

微重力環(huán)境下，胃癌 3D 類器官培養(yǎng)通過復(fù)刻腫瘤結(jié)構(gòu)、保留微環(huán)境互作，在模擬體內(nèi)生物學行為（尤其是藥物響應(yīng)和轉(zhuǎn)移潛能）上顯著優(yōu)于 2D 培養(yǎng)，但其復(fù)雜性和成本限制了高通量應(yīng)用；而 2D 培養(yǎng)在基礎(chǔ)機制研究中仍具便捷性，可作為初步篩選工具。

未來方向需聚焦：①開發(fā) “3D-2D 聯(lián)合模型”（如先 3D 誘導(dǎo)表型再 2D 解析機制）；②通過 AI 算法優(yōu)化微重力參數(shù)（如旋轉(zhuǎn)速度、剪切力），提升類器官均一性；③結(jié)合生物打印技術(shù)構(gòu)建含血管網(wǎng)絡(luò)的 3D 類器官，進一步接近體內(nèi)胃癌微環(huán)境。這些進展將推動微重力胃癌模型在空間醫(yī)學、個性化治療中的轉(zhuǎn)化應(yīng)用。