三维细胞培养系统的关键在于其能够提供类似体内的细胞间相互作用及细胞外基质环境。这种系统通常采用支架材料或特殊的培养条件，促使细胞聚集成团，形成多细胞结构，这样的结构更加贴近细胞在生物体内的自然状态。细胞在这种环境下的行为，包括增殖、分化、迁移和死亡，都更加接近于体内情况，为研究细胞生物学和病理学过程提供了更为准确的模型。
细胞培养系统特别有用于癌症研究。癌细胞在三维环境中的生长方式，可以更好地模拟肿瘤的结构和微环境，这对于理解癌症的发展、侵袭和转移至关重要。利用三维培养系统进行的研究，已经揭示了多种癌症细胞行为的新特征，为开发新的治疗策略提供了线索。 此外，细胞培养系统在组织工程和再生医学中也显示出巨大潜力。通过模拟体内环境，可以促进干细胞分化为特定的组织类型，这对于再生损伤或病变组织，以及理解和治疗退行性疾病具有重要价值。同时，这种方法还可用于创建人工器官或组织，为器官移植和疾病治疗提供更多可能。
尽管细胞培养系统提供了许多优势，但仍然存在一些挑战需要克服。例如，如何维持培养系统中的均一性和稳定性，如何实现高通量的药物筛选，以及如何监控和评估三维培养中的细胞行为等。
三维细胞培养系统是现代生物医学研究中的重要工具，它通过提供更加生理相关的模型，极大地推动了基础研究和临床应用的发展。
