有研究表明，如果我们能在体外培养患者来源的某类癌细胞（如血液中获得），并将其在类似体内环境下培养并进行研究，并寻找特异杀死癌细胞的方法，治愈的几率会提高数倍。这类用于研究的细胞称为循环肿瘤细胞(CTCs），是研究向前迈出的重要一步，循环肿瘤细胞从肿瘤脱落，并在癌症患者的血液内循环。据认为，它们会导致转移，癌症在体内的扩散可引起将近90%的癌症相关死亡。
这些细胞也含有重要的遗传信息，可以让医生做出更明智的治疗决定，甚至可为个别患者量身定制个性化的治疗策略。肿瘤细胞获得后如何选择培养条件呢？体内细胞在多细胞共培养的三维环境中形成组织和器官，而传统的细胞检测涉及的是单细胞的二维培养体系。三维培养提供了更接近体内环境的体外模拟系统，相关文献结果显示，三维培养的细胞在发育能力、增殖、分化、形态学、基因和蛋白表达及功能等方面明显优于二维培养，应用于临床，可有效提高新药开发效率，减少试验动物需求量，并获得较二维培养更可靠的数据。
本文将介绍几种可以模拟体内环境的实验技术：3D细胞培养、流体动态培养系统、共培养体系，以及组织培养。先进的培养技术可以更好的研究肿瘤形成机制，助力肿瘤病人个性化治疗方案的定制。
3D细胞球培养
随着科研与药物筛选要求不断提高，体外2D培养的方法已不能满足所有实验的需求，因此3D小球来模拟体内病理环境的技术逐渐发展起来。将培养的肿瘤细胞加入圆底的微孔中，这些富集的细胞就会形成离散的球体。这些离散的球体同时包含了暴露在表面的和深埋在内部的细胞，增殖的和非增殖的细胞，外面的富氧层和内部的缺氧中心。基于上述特点，与传统的二维细胞培养方法相比，这种球体可以更好的模拟肿瘤的行为特点。
下图为高通量检测3D小球的工作流程图。96或孔板中形成单一的肿瘤小球，经过化合物处理，小球被混合染料染色，无需清洗，小球被固定等待检测（右）。利用ImageXpressMicro高内涵成像分析系统的长时间拍摄功能，在10x物镜下，投射光模式拍摄HCT细胞63小时，记录细胞成球过程。
相对于宽场成像，共聚焦可以对球体进行薄层成像，这大大降低了来自于成像平面之外的背景荧光信号的干扰。同时，共聚焦成像也可以在3D水平上更好的分辨亚细胞结构以及肿瘤细胞的聚集和堆叠。运用共聚焦成像技术还可以完成更精确细胞分割。在肿瘤小球的重复试验中，与宽场成像相比，共聚焦成像统计到的细胞核数要多20%。用宽场成像模式扫描HCT肿瘤细胞球15层，Bestfocus方式投射为一张2D图像。通过软件分析数出个细胞核，在边缘聚焦变形的核和小球内部荧光太弱的核都没有被计数到。（下）用共聚焦成像模式扫描HCT肿瘤细胞球15层，Bestfocus方式投射为一张2D图像。通过软件分析数出个细胞核，共聚焦的图像分析出的数据更加准确。
3D肿瘤球凋亡筛选
许多抗肿瘤药物是通过影响凋亡的外在通路来杀死肿瘤细胞的。为了演示凋亡实验，我们用96孔板培养了3天使HCT细胞成球，并用4种不同的抗肿瘤药物稀释液对肿瘤球进行了处理。药物处理结束后，利用lifeTechnologies公司的CellEventCaspaseandMitoTrackerOrangereagents检测凋亡水平。在板孔中加入了包含Hoechst核染料的4倍浓度的混合染料。染色过程中没有清洗以避免影响球体状态。
在10x镜下拍摄，图为96孔板整板的缩略图拼图。细胞被Hoechst（蓝色）和CellEventCaspase3/7细胞凋亡标签（绿色）染色。没有经过处理的对照组在第4列，被不同浓度紫杉醇处理的细胞球在第5-7列（3组重复），有明显的细胞凋亡。细胞小球在Z轴上扫描11层，2D投射图像在用户自定义模块中分析。低凋亡组和高凋亡组的原始图片和分割图片如图所示（蓝色=细胞核，粉红色=凋亡细胞）。处理组和对照组凋亡率对比曲线图，均一化后可以看出紫杉醇与丝裂霉素C和依托泊苷相比在较低浓度就可引发凋亡。
