5. 用于藥物發(fā)現(xiàn)的三維體外模型。

問題：藥物發(fā)現(xiàn)過程中的一個(gè)真正瓶頸

祝賀你，你在實(shí)驗(yàn)室找到了一種成功治療疾病的藥物！這是一個(gè)相當(dāng)重要的里程碑。這通常意味著你已經(jīng)在老鼠身上研究過這種藥物，如果不是在細(xì)胞研究中的話?，F(xiàn)在，你需要決定是否要花費(fèi)令人難以置信的時(shí)間和金錢來通過繁重的法規(guī)和更多的臨床前測(cè)試，直到你的藥物可以在人體臨床試驗(yàn)中進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果卻發(fā)現(xiàn)…。它什么都不起作用，或者更糟糕的是，它有不可預(yù)見的副作用。

這是當(dāng)前藥物發(fā)現(xiàn)過程中令人悲哀的現(xiàn)實(shí)：大約10種對(duì)老鼠有效的藥物中有9種對(duì)人類無效(圖7)。有人提出，在某些情況下，設(shè)計(jì)糟糕的人體臨床試驗(yàn)可能是錯(cuò)誤的。然而，這些統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，一個(gè)問題最有可能存在于臨床前模型的預(yù)測(cè)能力：我們需要更好地概括人類對(duì)藥物的反應(yīng)的模型。

特別是，人們認(rèn)為主要問題在于未能預(yù)測(cè)藥物的療效和毒性。這是當(dāng)前醫(yī)藥行業(yè)面臨的巨大瓶頸。想象一下，平均花費(fèi)10年和26億美元卻一無所獲。還在想為什么我們到今天還沒有輕松治愈所有的主要疾病嗎？
我們需要做一些事情；我們需要重新思考藥物發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的形式，以便更有選擇性地過濾最終對(duì)人類有效的藥物。其目標(biāo)是三倍的：提高藥物發(fā)現(xiàn)過程的成功率，增加產(chǎn)量并降低相關(guān)成本。

不用說，在沒有事先證明其潛在毒性的情況下，新試劑不能在人體上直接測(cè)試。相反，科學(xué)家傳統(tǒng)上一直使用替代模型來預(yù)測(cè)藥物在人類身上的作用，例如動(dòng)物或細(xì)胞模型，每個(gè)模型都有它們的利弊(圖8)。請(qǐng)注意，圖8中列出的大多數(shù)利弊都適用于體外模型作為一個(gè)整體，即2D和3D細(xì)胞系統(tǒng)。

使用動(dòng)物模型的主要優(yōu)勢(shì)是無與倫比的：畢竟它是一個(gè)完整的生命有機(jī)體。這意味著人們不僅可以評(píng)估藥物對(duì)感興趣細(xì)胞的局部影響(就像你在典型的簡(jiǎn)單細(xì)胞研究中所做的那樣)，還可以評(píng)估它對(duì)全身的影響(換句話說，同時(shí)對(duì)許多器官產(chǎn)生影響)。同樣，現(xiàn)在越來越明顯的是，細(xì)胞的微環(huán)境不僅影響細(xì)胞的生理，而且影響細(xì)胞對(duì)藥物的反應(yīng)：因此，能夠在所有細(xì)胞類型實(shí)時(shí)相互作用的動(dòng)物中研究藥物的影響是一種優(yōu)勢(shì)。雖然已經(jīng)有了許多強(qiáng)大的鼠標(biāo)模型，但它們的一些內(nèi)在局限性將很難克服。例如，在動(dòng)物身上的結(jié)果本質(zhì)上是基于非人類細(xì)胞和病原體，這可能不會(huì)忠實(shí)地模擬人類的藥理反應(yīng)。雖然研究已經(jīng)將人類細(xì)胞引入小鼠，但這通常必須在免疫系統(tǒng)受損的小鼠身上進(jìn)行，以防止人類細(xì)胞的排斥反應(yīng)。這反過來又意味著動(dòng)物模型不能正確反映免疫細(xì)胞的作用，這一點(diǎn)應(yīng)該被考慮在內(nèi)，因?yàn)槊庖呒?xì)胞在許多疾病中是關(guān)鍵因素已變得明顯。無論如何，在小鼠體內(nèi)引入的人類細(xì)胞正在與小鼠起源的細(xì)胞微環(huán)境相互作用，這可能再次無法正確反映患者體內(nèi)發(fā)生的全人類細(xì)胞相互作用。相比之下，細(xì)胞研究可以完全由人類細(xì)胞進(jìn)行。這避免了從動(dòng)物到人類的結(jié)果外推造成的差異，這對(duì)免疫系統(tǒng)來說可能特別明顯。盡管細(xì)胞模型仍然不能總是正確地預(yù)測(cè)人類對(duì)藥物的反應(yīng)，但3D細(xì)胞培養(yǎng)領(lǐng)域仍處于初級(jí)階段，正在迅速發(fā)展；因此，它可能比動(dòng)物模型更容易填補(bǔ)目前臨床前預(yù)測(cè)模型的空白。事實(shí)上，許多新興的3D細(xì)胞培養(yǎng)產(chǎn)品已經(jīng)在藥物發(fā)現(xiàn)過程中實(shí)施。傳統(tǒng)上，球體、器官和芯片上的器官被廣泛用于學(xué)術(shù)環(huán)境中的疾病建模。它們現(xiàn)在也被轉(zhuǎn)化為更多的藥理學(xué)應(yīng)用，如藥物篩選、毒性和藥代動(dòng)力學(xué)測(cè)試。你會(huì)正確地認(rèn)為，3D細(xì)胞培養(yǎng)已經(jīng)可以為藥物發(fā)現(xiàn)做很多事情。如果你認(rèn)為這就是全部，再想一想：不知何故，3D細(xì)胞培養(yǎng)也可以極大地推動(dòng)細(xì)胞治療領(lǐng)域的發(fā)展。

6. 細(xì)胞療法

細(xì)胞療法的目標(biāo)是替換受損或衰竭器官的患者的組織。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，人們做出了巨大的努力，利用各種3D細(xì)胞培養(yǎng)產(chǎn)品，進(jìn)行基礎(chǔ)的體外研究，并開發(fā)出培養(yǎng)細(xì)胞的方案，以便最終植入患者體內(nèi)。
支架上裝載了細(xì)胞，最終植入患者體內(nèi)，以在局部再生感興趣的組織。三維支架可以被放置在生物反應(yīng)器內(nèi)，以便于在3D中研究細(xì)胞，優(yōu)化組織生長(zhǎng)，并預(yù)測(cè)其植入后的力學(xué)響應(yīng)。這在生物反應(yīng)器中是獨(dú)一無二的，因?yàn)樗鼈兲峁┝藢?duì)培養(yǎng)環(huán)境的如此嚴(yán)格的控制，并使組織的物理?xiàng)l件能夠模擬細(xì)胞在移植后所經(jīng)歷的力。傳感器通常被集成在生物反應(yīng)器中，這有助于建立計(jì)算模型并獲得準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以預(yù)測(cè)細(xì)胞對(duì)其在體內(nèi)植入的反應(yīng)。干細(xì)胞可以注射到患者體內(nèi)，以促進(jìn)組織特異性再生。有趣的是，已經(jīng)表明，與2D培養(yǎng)相比，3D培養(yǎng)的干細(xì)胞具有臨床益處。例如，在小鼠移植后，在3D球體中擴(kuò)大間充質(zhì)干細(xì)胞可以增強(qiáng)它們的抗炎反應(yīng)。干細(xì)胞球體也被用于提高臨床試驗(yàn)中干細(xì)胞產(chǎn)量。
類器官在體外是從干細(xì)胞或器官前體細(xì)胞發(fā)展而來的，它們自組織起來類似于器官的基本顯微解剖學(xué)。因此，人們認(rèn)為它們有一天可能成為替代某些器官的移植來源。到目前為止，復(fù)制腎臟或結(jié)腸的有機(jī)化合物已經(jīng)被移植到小鼠身上，并成功地進(jìn)行了長(zhǎng)期植入。人們可以使用3D生物打印器官進(jìn)行移植，而不是使用自組裝的有機(jī)體。雖然我們還遠(yuǎn)不能打印出整個(gè)器官的精確復(fù)制品，但已經(jīng)成功地打印出了膀胱、氣管、骨骼和軟骨的生物打印，并已植入動(dòng)物和人類體內(nèi)。
最近，還開發(fā)了一種稱為細(xì)胞片工程的新程序，它包括將融合的單層細(xì)胞與它們所分泌的細(xì)胞外基質(zhì)一起分層。這已經(jīng)被用來創(chuàng)造富含ECM的組織，類似于角膜、腎臟或肝臟。
最后，雖然微流控芯片往往與創(chuàng)建3D體外模型更相關(guān)，但已經(jīng)開發(fā)出一些微流控工具，將細(xì)胞封裝在3D ECM中，可以植入患者體內(nèi)。一項(xiàng)研究使用微流控設(shè)備創(chuàng)造了水凝膠微纖維，然后將其用于包裹和植入小鼠的胰島。

7.3D細(xì)胞培養(yǎng)的商業(yè)化現(xiàn)狀

在這里，我們描述了商業(yè)3D細(xì)胞培養(yǎng)方法的典型例子。

商業(yè)化的無支架產(chǎn)品基本上存在于促進(jìn)球體形成和篩選的平臺(tái)中。球體是自組織的細(xì)胞團(tuán)，它概括了腫瘤的重要方面，如壞死和缺氧的核心以及藥物擴(kuò)散的減少。1-通過使用非附著表面(例如Happy Cell或住友膠木)2-通過將細(xì)胞懸浮在懸掛在倒置井板上的液體中(例如：InSphero、3D Biomatrix)，3-通過使用旋轉(zhuǎn)燒瓶或旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)攪拌細(xì)胞，從而防止它們的粘連(例如：惠頓、Synthecon)，可以促進(jìn)細(xì)胞聚集成球體。球體也可以像Matrigel(BD生物科學(xué))一樣被放置到3D基質(zhì)中。

促進(jìn)3D細(xì)胞培養(yǎng)的基于支架的商業(yè)化產(chǎn)品包括銷售直接從動(dòng)物組織提取的1-基質(zhì)/水凝膠(例如，Invitgen的Geltrex)或由培養(yǎng)細(xì)胞分泌的1-基質(zhì)/水凝膠(例如，BD Bioscience的Matrigel)，由不同孔大小的聚苯乙烯制成的2-明確的支架(即Amsbio的Alvetex，或Sigma的3D Biotek Insert)，或3-工程載體珠，其中細(xì)胞在外部以單層的形式生長(zhǎng)(例如來自Global Cell Solutions的GEM，來自SoloHill的ProNectin F珠，來自GE Healthcare的Cytodex)或更立體的內(nèi)部毛孔(來自GE Healthcare的Cytopore)。注意，由于培養(yǎng)表面積與體積比大，這些小球增加了細(xì)胞培養(yǎng)的產(chǎn)量，因此也用于增加細(xì)胞產(chǎn)生抗體或病毒的產(chǎn)量。

生物反應(yīng)器已經(jīng)成為許多致力于3D細(xì)胞培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)室的主要產(chǎn)品，特別是再生醫(yī)學(xué)。雖然生物反應(yīng)器通常是在實(shí)驗(yàn)室中設(shè)計(jì)和定制的，但也存在一些商業(yè)規(guī)模的產(chǎn)品，例如Bose公司的3D Culture Pro，這是一種便攜式生物反應(yīng)器，包含多達(dá)6個(gè)腔室，可以容納各種樣本，包括細(xì)胞結(jié)構(gòu)。另一個(gè)例子是Pall公司的XRS20，這是一種帶有集成傳感器的生物反應(yīng)器，可以通過一次性使用的3D生物容器以受控的方式攪拌細(xì)胞，從而降低污染風(fēng)險(xiǎn)。

用于細(xì)胞治療目的的現(xiàn)成產(chǎn)品越來越少，因?yàn)閷a(chǎn)生的組織植入患者體內(nèi)的過程增加了對(duì)安全性的顯著需求。據(jù)我們所知，只有少數(shù)幾家公司提供制造移植物的服務(wù)。辛烷醫(yī)療集團(tuán)的自體臨床組織工程系統(tǒng)(ACTES)正試圖通過創(chuàng)建一個(gè)生物反應(yīng)器系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)整個(gè)過程的自動(dòng)化，該系統(tǒng)可以消化患者的軟骨活檢，擴(kuò)大軟骨細(xì)胞，并直接產(chǎn)生細(xì)胞懸液或骨軟骨移植。這種協(xié)議的自動(dòng)化需要巨大的前期投資，但可以幫助該領(lǐng)域提高安全和可追溯性標(biāo)準(zhǔn)。

最后，微流控芯片正在慢慢滲入3D細(xì)胞市場(chǎng)。Sackmann等人在2015年將該技術(shù)描述為仍主要由發(fā)表在工程期刊上的“原則證明”研究組成，這些研究描述了沒有明確生物醫(yī)學(xué)需求的微流控原型。慢慢地，這些平臺(tái)的生物學(xué)相關(guān)性越來越強(qiáng)，現(xiàn)在學(xué)術(shù)界已經(jīng)創(chuàng)建了許多微流控平臺(tái)來模擬和研究廣泛的生物過程，從癌細(xì)胞通過水凝膠或血管系統(tǒng)的遷移，到神經(jīng)元通訊或有機(jī)體的發(fā)育。在設(shè)計(jì)芯片上的器官方面有一項(xiàng)特別的努力，以使器官相互連接，從心臟、大腦、肝臟到芯片上的肺，這正在催生幾家公司。Eulate Inc.是此類芯片器官商業(yè)開發(fā)的先驅(qū)。此外，還有商業(yè)化的基本微流控單元陣列，允許在兩個(gè)可持續(xù)灌流的儲(chǔ)存池(貝爾·布魯克斯實(shí)驗(yàn)室和細(xì)胞自給藥庫)之間引入3D細(xì)胞外基質(zhì)中的細(xì)胞。微流控技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)成熟，可以進(jìn)一步發(fā)展，特別是可以從學(xué)術(shù)階段轉(zhuǎn)化為工業(yè)階段。