5. 用于藥物發現的三維體外模型。

問題：藥物發現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！這是一個相當重要的里程碑。這通常意味著你已經在老鼠身上研究過這種藥物，如果不是在細胞研究中的話。現在，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行測試。結果卻發現…。它什么都不起作用，或者更糟糕的是，它有不可預見的副作用。

這是當前藥物發現過程中令人悲哀的現實：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，設計糟糕的人體臨床試驗可能是錯誤的。然而，這些統計數據表明，一個問題最有可能存在于臨床前模型的預測能力：我們需要更好地概括人類對藥物的反應的模型。

特別是，人們認為主要問題在于未能預測藥物的療效和毒性。這是當前醫藥行業面臨的巨大瓶頸。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現系統的形式，以便更有選擇性地過濾最終對人類有效的藥物。其目標是三倍的：提高藥物發現過程的成功率，增加產量并降低相關成本。

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，科學家傳統上一直使用替代模型來預測藥物在人類身上的作用，例如動物或細胞模型，每個模型都有它們的利弊(圖8)。請注意，圖8中列出的大多數利弊都適用于體外模型作為一個整體，即2D和3D細胞系統。

使用動物模型的主要優勢是無與倫比的：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胞的局部影響(就像你在典型的簡單細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，同時對許多器官產生影響)。同樣，現在越來越明顯的是，細胞的微環境不僅影響細胞的生理，而且影響細胞對藥物的反應：因此，能夠在所有細胞類型實時相互作用的動物中研究藥物的影響是一種優勢。雖然已經有了許多強大的鼠標模型，但它們的一些內在局限性將很難克服。例如，在動物身上的結果本質上是基于非人類細胞和病原體，這可能不會忠實地模擬人類的藥理反應。雖然研究已經將人類細胞引入小鼠，但這通常必須在免疫系統受損的小鼠身上進行，以防止人類細胞的排斥反應。這反過來又意味著動物模型不能正確反映免疫細胞的作用，這一點應該被考慮在內，因為免疫細胞在許多疾病中是關鍵因素已變得明顯。無論如何，在小鼠體內引入的人類細胞正在與小鼠起源的細胞微環境相互作用，這可能再次無法正確反映患者體內發生的全人類細胞相互作用。相比之下，細胞研究可以完全由人類細胞進行。這避免了從動物到人類的結果外推造成的差異，這對免疫系統來說可能特別明顯。盡管細胞模型仍然不能總是正確地預測人類對藥物的反應，但3D細胞培養領域仍處于初級階段，正在迅速發展；因此，它可能比動物模型更容易填補目前臨床前預測模型的空白。事實上，許多新興的3D細胞培養產品已經在藥物發現過程中實施。傳統上，球體、器官和芯片上的器官被廣泛用于學術環境中的疾病建模。它們現在也被轉化為更多的藥理學應用，如藥物篩選、毒性和藥代動力學測試。你會正確地認為，3D細胞培養已經可以為藥物發現做很多事情。如果你認為這就是全部，再想一想：不知何故，3D細胞培養也可以極大地推動細胞治療領域的發展。

6. 細胞療法

細胞療法的目標是替換受損或衰竭器官的患者的組織。為了實現這一目標，人們做出了巨大的努力，利用各種3D細胞培養產品，進行基礎的體外研究，并開發出培養細胞的方案，以便最終植入患者體內。
支架上裝載了細胞，最終植入患者體內，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器內，以便于在3D中研究細胞，優化組織生長，并預測其植入后的力學響應。這在生物反應器中是獨一無二的，因為它們提供了對培養環境的如此嚴格的控制，并使組織的物理條件能夠模擬細胞在移植后所經歷的力。傳感器通常被集成在生物反應器中，這有助于建立計算模型并獲得準確的實驗數據，以預測細胞對其在體內植入的反應。干細胞可以注射到患者體內，以促進組織特異性再生。有趣的是，已經表明，與2D培養相比，3D培養的干細胞具有臨床益處。例如，在小鼠移植后，在3D球體中擴大間充質干細胞可以增強它們的抗炎反應。干細胞球體也被用于提高臨床試驗中干細胞產量。
類器官在體外是從干細胞或器官前體細胞發展而來的，它們自組織起來類似于器官的基本顯微解剖學。因此，人們認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，復制腎臟或結腸的有機化合物已經被移植到小鼠身上，并成功地進行了長期植入。人們可以使用3D生物打印器官進行移植，而不是使用自組裝的有機體。雖然我們還遠不能打印出整個器官的精確復制品，但已經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。
最近，還開發了一種稱為細胞片工程的新程序，它包括將融合的單層細胞與它們所分泌的細胞外基質一起分層。這已經被用來創造富含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建3D體外模型更相關，但已經開發出一些微流控工具，將細胞封裝在3D ECM中，可以植入患者體內。一項研究使用微流控設備創造了水凝膠微纖維，然后將其用于包裹和植入小鼠的胰島。

7.3D細胞培養的商業化現狀

在這里，我們描述了商業3D細胞培養方法的典型例子。

商業化的無支架產品基本上存在于促進球體形成和篩選的平臺中。球體是自組織的細胞團，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-通過使用旋轉燒瓶或旋轉系統攪拌細胞，從而防止它們的粘連(例如：惠頓、Synthecon)，可以促進細胞聚集成球體。球體也可以像Matrigel(BD生物科學)一樣被放置到3D基質中。

促進3D細胞培養的基于支架的商業化產品包括銷售直接從動物組織提取的1-基質/水凝膠(例如，Invitgen的Geltrex)或由培養細胞分泌的1-基質/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)或更立體的內部毛孔(來自GE Healthcare的Cytopore)。注意，由于培養表面積與體積比大，這些小球增加了細胞培養的產量，因此也用于增加細胞產生抗體或病毒的產量。

生物反應器已經成為許多致力于3D細胞培養的實驗室的主要產品，特別是再生醫學。雖然生物反應器通常是在實驗室中設計和定制的，但也存在一些商業規模的產品，例如Bose公司的3D Culture Pro，這是一種便攜式生物反應器，包含多達6個腔室，可以容納各種樣本，包括細胞結構。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胞，從而降低污染風險。

用于細胞治療目的的現成產品越來越少，因為將產生的組織植入患者體內的過程增加了對安全性的顯著需求。據我們所知，只有少數幾家公司提供制造移植物的服務。辛烷醫療集團的自體臨床組織工程系統(ACTES)正試圖通過創建一個生物反應器系統來實現整個過程的自動化，該系統可以消化患者的軟骨活檢，擴大軟骨細胞，并直接產生細胞懸液或骨軟骨移植。這種協議的自動化需要巨大的前期投資，但可以幫助該領域提高安全和可追溯性標準。

最后，微流控芯片正在慢慢滲入3D細胞市場。Sackmann等人在2015年將該技術描述為仍主要由發表在工程期刊上的“原則證明”研究組成，這些研究描述了沒有明確生物醫學需求的微流控原型。慢慢地，這些平臺的生物學相關性越來越強，現在學術界已經創建了許多微流控平臺來模擬和研究廣泛的生物過程，從癌細胞通過水凝膠或血管系統的遷移，到神經元通訊或有機體的發育。在設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開發的先驅。此外，還有商業化的基本微流控單元陣列，允許在兩個可持續灌流的儲存池(貝爾·布魯克斯實驗室和細胞自給藥庫)之間引入3D細胞外基質中的細胞。微流控技術現在已經成熟，可以進一步發展，特別是可以從學術階段轉化為工業階段。