5. 用于藥物發(fā)現(xiàn)的三維體外模型。

問題：藥物發(fā)現(xiàn)過程中的一個真正瓶頸

祝賀你，你在實驗室找到了一種成功治療疾病的藥物！這是一個相當(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令人難以置信的時間和金錢來通過繁重的法規(guī)和更多的臨床前測試，直到你的藥物可以在人體臨床試驗中進(jìn)行測試。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：大約10種對老鼠有效的藥物中有9種對人類無效(圖7)。有人提出，在某些情況下，設(shè)計糟糕的人體臨床試驗可能是錯誤的。然而，這些統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，一個問題最有可能存在于臨床前模型的預(yù)測能力：我們需要更好地概括人類對藥物的反應(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試。相反，科學(xué)家傳統(tǒng)上一直使用替代模型來預(yù)測藥物在人類身上的作用，例如動物或細(xì)胞模型，每個模型都有它們的利弊(圖8)。請注意，圖8中列出的大多數(shù)利弊都適用于體外模型作為一個整體，即2D和3D細(xì)胞系統(tǒng)。

使用動物模型的主要優(yōu)勢是無與倫比的：畢竟它是一個完整的生命有機體。這意味著人們不僅可以評估藥物對感興趣細(xì)胞的局部影響(就像你在典型的簡單細(xì)胞研究中所做的那樣)，還可以評估它對全身的影響(換句話說，同時對許多器官產(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)胞對藥物的反應(yīng)：因此，能夠在所有細(xì)胞類型實時相互作用的動物中研究藥物的影響是一種優(yōu)勢。雖然已經(jīng)有了許多強大的鼠標(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，這可能不會忠實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物模型不能正確反映免疫細(xì)胞的作用，這一點應(yīng)該被考慮在內(nèi)，因為免疫細(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。這避免了從動物到人類的結(jié)果外推造成的差異，這對免疫系統(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)測人類對藥物的反應(yīng)，但3D細(xì)胞培養(yǎng)領(lǐng)域仍處于初級階段，正在迅速發(fā)展；因此，它可能比動物模型更容易填補目前臨床前預(yù)測模型的空白。事實上，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、毒性和藥代動力學(xué)測試。你會正確地認(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，并預(yù)測其植入后的力學(xué)響應(yīng)。這在生物反應(yīng)器中是獨一無二的，因為它們提供了對培養(yǎng)環(huán)境的如此嚴(yán)格的控制，并使組織的物理條件能夠模擬細(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，這有助于建立計算模型并獲得準(zhǔn)確的實驗數(shù)據(jù)，以預(yù)測細(xì)胞對其在體內(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球體中擴大間充質(zhì)干細(xì)胞可以增強它們的抗炎反應(yīng)。干細(xì)胞球體也被用于提高臨床試驗中干細(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)腸的有機化合物已經(jīng)被移植到小鼠身上，并成功地進(jìn)行了長期植入。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體。雖然我們還遠(yuǎn)不能打印出整個器官的精確復(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(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)的實驗室的主要產(chǎn)品，特別是再生醫(yī)學(xué)。雖然生物反應(yīng)器通常是在實驗室中設(shè)計和定制的，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個腔室，可以容納各種樣本，包括細(xì)胞結(jié)構(gòu)。另一個例子是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。

用于細(xì)胞治療目的的現(xiàn)成產(chǎn)品越來越少，因為將產(chǎn)生的組織植入患者體內(nèi)的過程增加了對安全性的顯著需求。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)建一個生物反應(yīng)器系統(tǒng)來實現(xiàn)整個過程的自動化，該系統(tǒng)可以消化患者的軟骨活檢，擴大軟骨細(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。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，這些平臺的生物學(xué)相關(guān)性越來越強，現(xiàn)在學(xué)術(shù)界已經(jīng)創(chuàng)建了許多微流控平臺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)元通訊或有機體的發(fā)育。在設(shè)計芯片上的器官方面有一項特別的努力，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，允許在兩個可持續(xù)灌流的儲存池(貝爾·布魯克斯實驗室和細(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。