撰文丨王聰

編輯丨王多魚

排版丨水成文

從二維（2D）細(xì)胞模型向三維（3D）細(xì)胞模型的轉(zhuǎn)變，是生物醫(yī)學(xué)研究中的一個(gè)關(guān)鍵進(jìn)步。像球狀體、類器官和器官芯片系統(tǒng)這樣的 3D 細(xì)胞模型提供了更符合生理?xiàng)l件的環(huán)境，從而提高了藥物療效、毒性和疾病機(jī)制預(yù)測的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵技術(shù)突破包括 3D 生物打印、微流控系統(tǒng)、先進(jìn)成像、人工智能（AI）驅(qū)動(dòng)的分析以及合成生物學(xué)的整合，這提高了 3D 細(xì)胞模型的可擴(kuò)展性和準(zhǔn)確性。這些創(chuàng)新促進(jìn)了個(gè)性化醫(yī)療、再生療法以及高效藥物篩選的發(fā)展。3D 細(xì)胞模型有望通過患者特異性藥物測試、減少對(duì)動(dòng)物的依賴以及加快靶向療法的開發(fā)來徹底改變醫(yī)療保健，最終改變臨床實(shí)踐并改善患者預(yù)后。

近日，Cell 新子刊Cell Biomaterials發(fā)表了題為：Leveraging 3D cell culture and AI technologies for next-generation drug discovery 的綜述論文。該綜述系統(tǒng)性介紹了將 3D 細(xì)胞培養(yǎng)和人工智能技術(shù)應(yīng)用于下一代藥物發(fā)現(xiàn)。

三維（3D）細(xì)胞培養(yǎng)模型的引入是藥物開發(fā)領(lǐng)域的一次重大變革，與傳統(tǒng)的二維（2D）單層培養(yǎng)相比，它提供了更為先進(jìn)的替代方案。與無法模擬真實(shí)組織復(fù)雜細(xì)胞微環(huán)境的 2D 模型相比，3D 細(xì)胞培養(yǎng)更符合生理學(xué)特征，還能更精確地預(yù)測藥物動(dòng)力學(xué)和藥效學(xué)。

3D 細(xì)胞培養(yǎng)這項(xiàng)新技術(shù)解決了 2D 培養(yǎng)中存在的部分突出局限性——細(xì)胞間以及細(xì)胞與細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）之間的相互作用缺陷，這些相互作用對(duì)于維持細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)、分化和組織特異性功能十分重要。因此，3D 細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)通過提供體內(nèi)組織結(jié)構(gòu)和代謝梯度的計(jì)算布局，在候選化合物的篩選方面提供了更好、更可靠的輸出，降低了藥物研發(fā)過程中的損耗率。

此外，3D 細(xì)胞模型在精準(zhǔn)醫(yī)療領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，能夠?qū)崿F(xiàn)針對(duì)患者的藥物測試和個(gè)性化治療方案。這種觀點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了 3D 細(xì)胞培養(yǎng)方法的變革潛力，這些技術(shù)對(duì)于提高藥物發(fā)現(xiàn)過程中的預(yù)測準(zhǔn)確性和效率具有重大意義，這一點(diǎn)至關(guān)重要。3D 細(xì)胞模型還在促進(jìn)生物醫(yī)學(xué)研究方面也發(fā)揮著重要作用。另一個(gè)重要的研究領(lǐng)域是治療創(chuàng)新，這些技術(shù)突破對(duì)治療創(chuàng)新做出了巨大貢獻(xiàn)。

生物醫(yī)學(xué)研究中的2D和3D細(xì)胞培養(yǎng)

生物醫(yī)學(xué)研究中用不同方法形成的球狀體

用于生物醫(yī)學(xué)研究的器官芯片裝置

在生物醫(yī)學(xué)研究中3D細(xì)胞建模的關(guān)鍵技術(shù)

人工智能在3D細(xì)胞培養(yǎng)中的作用和益處

3D細(xì)胞模型在藥物發(fā)現(xiàn)和生物醫(yī)學(xué)研究中的應(yīng)用

與傳統(tǒng)的 2D 細(xì)胞培養(yǎng)相比，3D 細(xì)胞模型具有更高的生理相關(guān)性，這徹底改變了整個(gè)藥物開發(fā)和醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域，在研究過程中具有諸多優(yōu)勢(shì)。這類模型包括器官芯片、球狀體和類器官。它們能夠復(fù)制人體組織的結(jié)構(gòu)和微環(huán)境，因此與疾病建模、測試和治療反應(yīng)相關(guān)的數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確和可預(yù)測。預(yù)計(jì)憑借能夠構(gòu)建精確的細(xì)胞微環(huán)境和進(jìn)行實(shí)時(shí)細(xì)胞反應(yīng)測量的能力，器官芯片技術(shù)將成為研究器官級(jí)功能和相互作用的強(qiáng)大工具。另一方面，球狀體和類器官為細(xì)胞間以及細(xì)胞與基質(zhì)間的相互作用提供了重要的新視角，從而使得組織形成、癌癥生物學(xué)和再生醫(yī)學(xué)研究成為可能。這些模型已展現(xiàn)出彌合體外研究與體內(nèi)研究結(jié)果之間差距的潛力，因此能夠增強(qiáng)臨床前研究的轉(zhuǎn)化相關(guān)性。盡管取得了這些顯著進(jìn)展，但這些模型的標(biāo)準(zhǔn)化和可重復(fù)性，或者將其納入高通量篩選系統(tǒng)，仍然非常困難。應(yīng)用這些技術(shù)的努力本質(zhì)上也是資源密集型和復(fù)雜的，因此通常無法廣泛使用。然而，通過生物材料、微制造技術(shù)和計(jì)算建模方面的進(jìn)步，這些局限性可以得到解決，從而增強(qiáng) 3D 細(xì)胞模型在生物醫(yī)學(xué)研究中的實(shí)用性。在生物應(yīng)用和藥物開發(fā)方面，3D 細(xì)胞模型被認(rèn)為是極具創(chuàng)新性的方法之一。它們的生理機(jī)能幾乎完全仿照人類，其在促進(jìn)更安全、更有效的藥物研發(fā)，從而改善患者治療效果以及增進(jìn)我們對(duì)復(fù)雜生物過程的理解方面具有巨大潛力。

從 2D 細(xì)胞培養(yǎng)向 3D 細(xì)胞培養(yǎng)的轉(zhuǎn)變代表了生物醫(yī)學(xué)研究中的范式轉(zhuǎn)變。通過提供更準(zhǔn)確的生理模型，3D 細(xì)胞培養(yǎng)增強(qiáng)了我們對(duì)疾病機(jī)制和藥物相互作用的理解。盡管仍存在挑戰(zhàn)，但人工智能、生物工程和微流體技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新有望推動(dòng) 3D 細(xì)胞模型的未來發(fā)展，確保其在研究和臨床應(yīng)用中的廣泛接受。

隨著這些進(jìn)步的不斷推進(jìn)，3D 細(xì)胞模型將徹底改變個(gè)性化醫(yī)療，為更有效和更具針對(duì)性的治療干預(yù)措施鋪平道路。

論文鏈接：

https://www.cell.com/cell-biomaterials/fulltext/S3050-5623(25)00041-8