传统二维细胞培养只能在二维平面上对细胞进行基因操作，可以了解到特定基因改变对细胞生物学行为的影响，却不能准确反应肿瘤发生的形态学特点。动物模型虽然可以准确地反映肿瘤发生的形态学特点，但难以进行大规模的基因操作研究，同时也不能对中间的发生过程进行实时观察。三维细胞培养系统结合了二维细胞培养和动物模型的优点，在体外构建与体内相近的细胞发育结构系统。因而三维细胞培养除可以模拟肿瘤细胞在体内生长微环境之外，还可以高通量地研究特定基因改变与细胞表型的关系及其生物学行为的变化过程。

三维培养细胞技术的之一——Bissell等利用该技术成功地构建了乳腺癌上皮细胞培养模型，并在乳腺癌的研究中取得重大进展。研究发现，细胞外基质及其整联蛋白家族受体决定了乳腺上皮细胞的表型，这种作用超过了细胞的基因型对细胞表型的影响。来源于同一种系的正常乳腺上皮细胞S-1和成瘤细胞T4-2在二维培养条件下，两种细胞在形态和生长速度上差别不大。然而，在三维再造基底膜上培养时，S-1细胞呈现完整的腺泡样结构，而T4-2细胞则形成巨大的、排列松散、紊乱的侵袭性克隆。当对T4-2细胞克隆群进行B1-整联蛋白抗体干预实验，发现T4-2细胞克隆恶性表型被逆转，而且这种表型变化是可逆的，二维培养则无此结果。由此可见，三维细胞培养模型能辅助判断和选择特定抑制剂及其组合，以有效地抑制特定分型的癌细胞的生长，可应用于肿瘤特异性药物的设计，杀死癌细胞或阻止肿瘤的进展。

肿瘤细胞所处的微环境对肿瘤发生发展起重要作用。在体内，肿瘤细胞通过细胞与细胞、细胞与细胞外基质间的信号传递维持肿瘤的生长。三维细胞培养技术能模拟体内细胞与细胞间以及细胞与细胞外基质间信号传递的微环境，还可以通过技术的改进实现多种细胞的共培养及其与细胞外基质的。尽管在乳腺癌的研究中，三维培养模型比较成熟，但理论上每一种组织、每一种器官都具有各自独特的微环境。