自 1877 年首次使用以来，培养皿已成为实验室的标志，与显微镜、本生灯和实验服共享同样的崇高地位。但现在，研究已经从相对简单的抗生素耐药性研究转向更复杂的过程，如组织再生，因此需要更强大的细胞培养系统——一种更接近细胞在体内所处环境的系统。
麻省理工学院生物医学工程中心副主任张曙光认为，他已经找到了一种将这些系统提升到三维的方法。他的方法涉及一个装满自组装肽的试管——一种叫做 RADA16 的短氨基酸分子——它可以自发地组织成 3-D 支架，细胞可以在其中像在体内的细胞外基质上一样生长。
在自然环境中，细胞附着于其他细胞和结合分子，如蛋白质胶原蛋白，胶原蛋白是结缔组织的主要成分。细胞被包裹在这种多孔的网状结构中，能够交换营养物质并接收代谢和激素信号所需的氧气。
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张教授解释说：“组织细胞通常在 3-D 环境中生长，而不是 2-D 环境中。 “众所周知，3-D 与 2-D 截然不同。 例如，2-D 只提供表面，而 3-D 也提供空间。 因此，2-D 环境中的细胞行为不正常。 它们的形态会发生变化以适应 2-D 平面环境。”
在培养皿中，细胞簇在培养基表面铺展开来。 这会导致细胞的所有粘附受体都迁移到细胞的一侧，从而显着改变其代谢功能和生长模式。
在过去的 30 年中，先前创建由合成聚合物制成的人造微纤维环境的尝试遇到了两个主要障碍。 大多数创造的微纤维支架的直径比细胞大几个数量级，本质上重现了与培养皿相同的效果。 一种名为 Matrigel 的生物材料可以创造出合适的纤维尺寸，已被证明可用于模拟细胞外环境，但这种物质是从小鼠肿瘤细胞中分泌出来的，不能在体内使用，并且含有许多成分不明且样品之间不一致的生长因子和成分。 正如张教授所说，“我们不知道里面有什么。”
哈佛医学院医学副教授 Richard T. Lee 说：“二维培养的数十年经验告诉我们，基质或生长条件的相对较小的变化会显着影响细胞表型、存活和分化。” “三维支架中的细胞反应很可能同样会受到支架设计和支架传递的生长因子的影响。”
张教授的自组装肽系统创建的支架由直径约为大多数细胞大小的 0.2% 的纤维组成——比人类头发细约 5,000 倍。 在 RADA16 的基础上，张教授添加了基序——已知影响干细胞分化成某种类型细胞的氨基酸片段——例如胶原蛋白和骨髓归巢肽。 然后，他测试了这些基序，以了解小鼠神经干细胞在它们的存在下分化的效果如何。 他发现，用骨髓归巢肽增强的 RADA16 在提供祖细胞可以成熟为神经元的环境方面，比 RADA16 本身表现得更好。 此外，这种延长的肽的表现与神秘的混合物 Matrigel 相当。
纽约大学神经生物学家 Todd C. Holmes 说：“在这项工作之前，嵌合肽是否由自组装序列和生物活性序列组成，是否能协同工作，还是一个悬而未决的问题。” “目前的结果证明它们可以。”
张教授断言，此处创建的系统可以针对其他用途进行调整，包括用于再生医学的组织修复，例如皮肤移植。 埃默里大学的生物医学工程师 Michael E. Davis 同意自组装肽是一种通用的聚合物。 他指出，“理想情况下，一旦为特定应用找到最佳序列，将其应用于临床可能相当便宜。”
张教授认为，转向 3-D 支架系统对于防止研究人员因追逐反映细胞在二维系统下变异行为的靶点而“缘木求鱼”至关重要。 张教授说：“我告诉人们，可能在 20 年后，所有关于组织培养的教科书都必须因为这些 3-D 细胞培养系统而进行修订。”