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在細胞生物學與藥物開發領域，3D 細胞培養技術正逐漸成為主流。相較於傳統的 2D 平面培養，細胞生長在二維平面上，擁有不受限制的養分與均勻的藥物暴露；3D Spheroids 則更真實地模擬體內微環境，包含細胞間交互作用以及藥物滲透梯度。3D模型在癌症腫瘤發展研究、毒理學及疾病模型建立上，具備不可取代的價值。台大第七共研新建置 XF Pro analyzer，可突破傳統2D的限制，偵測3D樣本的真實能量代謝特徵。

XF Pro analyzer 專屬應用 Spheroid Microplate

Spheroid Microplate為 3D 代謝研究提供了強大的解決方案。此微孔盤擁有獨特的幾何設計，確保培養基混勻的同時可將樣本保持於底部中間；以此為基礎，便可整合自動注藥連續測量即時耗氧率 (OCR) 和細胞外產酸率 (ECAR)，整個過程完整保留樣本 3D 結構的完整性，全程不接觸不干擾，呈現最真實的3D能量代謝數據。(建議樣本大小：200至500 um)

2D 與 3D 代謝的顯著差異

以 HCT116 大腸癌細胞為例，透過 XF Cell Mito Stress Test 評估粒線體功能。我們可以發現：相較於 2D 單層培養，HCT116 Spheroids 展現出顯著增加的備用呼吸量 (Spare Respiratory Capacity, SRC)。SRC 反應的是粒線體面對壓力的彈性；3D培養時其立體結構導致接觸的氧氣濃度較低，粒線體整體代謝效率下降，但卻保留了額外面對環境壓力的彈性。另外，大分子的oligomycin進入樣本的效率較差，所以會觀察到藥物的影響表現較緩慢。

3D Spheroid 的實際應用

案例一：精準重現腫瘤微環境與 2D/3D 藥物反應差異 (Russell et al., 2017)

• 研究亮點：該研究比較了 2D 單層細胞與 3D 腫瘤微組織 (Microtissues) 的代謝特徵。透過 Seahorse 分析發現，傳統 2D 培養對常見化療藥物 (如 5-Fluorouracil) 往往更為敏感。然而在 3D 模型中，藥物引起的代謝抑制反應明顯較為遲緩，且外層細胞甚至會形成保護層，確保核心細胞免受藥物傷害。

• 結論： 2D 培養可能會高估藥物的致死率。利用 3D 微組織結合 Seahorse 進行代謝分析，能更真實地反映細胞在體內複雜組織架構下的藥物穿透性與治療效果，這解釋了為何許多在 2D 培養中有效的藥物，在活體動物實驗中卻遭遇瓶頸。

圖片說明：「化療藥物 5-FU 在 2D 單層細胞與 3D 腫瘤微組織中造成的代謝抑制 (OCR) 與存活率差異。」
Fig. 4A Basal OCR (% Control)： 加入化療藥物 5-FU 後，2D 培養的耗氧率（綠色/紫色線）迅速崩跌，而 3D Spheroid（藍色/紅色線）的代謝下降則明顯緩慢許多。
Fig. 4E (Viability)： 對應細胞存活率，證實 2D 細胞迅速死亡，而 3D 組織能抵抗藥物存活更久。

案例二：探究酒精誘導神經毒性與大腦類器官代謝缺陷 (Arzua et al., 2020)

• 研究亮點：研究團隊利用人類誘導多能幹細胞 (iPSC) 培養出 2 個月大的 3D 大腦類器官 (Cerebral Organoids) 來模擬胎兒大腦發育。結合 Seahorse 系統，他們觀察到模擬「狂飲 (binge drinking)」的酒精暴露會顯著降低大腦類器官的基礎呼吸、ATP 產量與最大呼吸率，同時增加非粒線體耗氧，並引發細胞凋亡。

• 結論： 突破了傳統動物模型的物種差異限制，首次在人類 3D 腦神經模型上揭示了粒線體代謝功能障礙與神經細胞凋亡，在酒精誘導之胎兒酒精譜系障礙 (FASDs) 中的關鍵角色，並指出神經元比星形膠質細胞更容易受到酒精的毒性影響。

圖片說明： 「酒精暴露 (Binge drinking 模型) 顯著抑制 3D 大腦類器官的粒線體呼吸功能。」
Fig. 4B： 呈現 Control (藍線) 與 Ethanol (紅線) 在添加 Oligomycin、FCCP 等試劑後的 OCR 曲線差異。
Fig. 4C： 直方圖直觀顯示了酒精暴露顯著降低了基礎呼吸、最大呼吸率與 ATP 產量，同時非粒線體耗氧異常升高。

案例三：解析卵巢癌轉移過程中的粒線體可塑性 (Grieco et al., 2023)

• 研究亮點：卵巢癌細胞在剝落轉移過程中會形成 3D Spheroids。本研究發現，當這些 Spheroids 處於缺氧且缺乏營養的懸浮環境時，會展現出斷裂的粒線體與極低的耗氧率。然而，當將 Spheroids 重新貼附並給予氧氣與營養 (模擬附著至新組織的轉移微環境) 時，細胞外緣的粒線體形態會迅速恢復，並且耗氧率 (OCR) 與 ATP 合成會隨之顯著上升。

• 結論： 卵巢癌 Spheroid 展現了高度的「粒線體代謝可塑性」。透過 Seahorse 分析證實，貼附訊號與氧氣的重新獲取能逆轉粒線體的斷裂狀態並啟動粒線體新生 (Mitobiogenesis)，進而驅動 ATP 合成，以支持後續癌細胞的增生、侵襲與轉移。

圖片說明： 「卵巢癌 Spheroid 在重新獲得氧氣與貼附訊號後，粒線體型態與 ATP 合成能力的動態恢復。」
Fig. 4A： 顯示重新給予氧氣與貼附環境 (Reox) 後，細胞的 Basal Respiration 與 ATP Synthesis 皆顯著回升。
Fig. 4B： MitoTracker 螢光圖展現了「粒線體型態恢復」的狀態差異。

案例四：建立人類脂肪球模型以評估肥胖與代謝藥物 (Wagner et al., 2026)

• 研究亮點： 為了更真實反映體內皮下脂肪的代謝，該研究利用人類皮下前脂肪細胞建立 3D Spheroid 模型。實驗證實，給予過量脂質混合物會導致 3D 脂肪球出現粒線體呼吸功能障礙；而後續投予糖尿病藥物 Rosiglitazone (PPARγ促效劑)，Seahorse 成功偵測到其 ATP 合成、最大呼吸率以及備用呼吸量有顯著的恢復，且脂肪球分泌脂聯素 (Adiponectin) 的能力也隨之改善。

• 結論： 證明了 3D 人類皮下脂肪 Spheroid 結合 Seahorse 代謝分析，能有效模擬肥胖導致的粒線體代謝異常，這是未來篩選粒線體活化藥物及代謝疾病研究的絕佳體外 (in vitro) 評估平台。

圖片說明： 「Seahorse 成功偵測到藥物 Rosiglitazone 能有效逆轉脂質過載 3D 脂肪球的粒線體功能障礙。」
Fig. 6A/6B： 灰色是正常對照組，藍色是脂質過量導致代謝低下(+LM+Veh)，紅色是投予糖尿病藥物 Rosiglitazone 後 (+LM+R)，拉回粒線體呼吸曲線與 ATP 產量。

更貼近真實生理代謝：3D 培養整合可控低氧環境

探討 3D 結構的同時，讓我們深刻理解「氧氣濃度」對細胞代謝的影響。實體腫瘤的微環境 (TME) 通常伴隨更低的含氧 (多數器官組織生理常氧量低於 5%)。

為了更精準地模擬生理真實環境，第七共研設置了低氧細胞培養暨控氧工作站，並整合Seahorse XF Pro 海馬分析儀工作站，讓研究人員得以在一個完整的低氧環境中，進行 3D Spheroids/Organoids 的長期培養、加藥處理，甚至是即時代謝分析；確保了研究數據的絕對可靠性，為腫瘤微環境代謝研究、幹細胞幹性維持以及早期藥物篩選，提供了最優化的體外研究平台！

參考文獻：

1. Agilent Technologies, "Metabolic Analysis in 3-Dimensions: XFe96 Spheroid Microplate", Flyer, 5991-8819EN.

2. Russell, S., et al. (2017). Metabolic Profiling of healthy and cancerous tissues in 2D and 3D. Scientific Reports, 7(1), 15285.

3. Arzua, T., et al. (2020). Modeling alcohol-induced neurotoxicity using human induced pluripotent stem cell-derived three-dimensional cerebral organoids. Translational Psychiatry, 10(1), 347.

4. Grieco, J. P., et al. (2023). Mitochondrial plasticity supports proliferative outgrowth and invasion of ovarian cancer spheroids during adhesion. Frontiers in Oncology, 12, 1043670.

5. Wagner, A., et al. (2026). In vitro model of human subcutaneous adipocyte spheroids for studying mitochondrial dysfunction and mitochondria activating compounds. iScience, 29, 114480.

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