《Biomaterials》綜述：3D組織模型的研究進展與臨床前應(yīng)用

來源： EngineeringForLife

傳統(tǒng)的二維（2D）細胞培養(yǎng)和動物相關(guān)實驗在精確評估藥物毒性和臨床療效方面存在局限性，導致藥物開發(fā)過程較為困難。三維（3D）體外模型作為替代平臺應(yīng)運而生，它能夠準確模擬體內(nèi)條件，提高候選藥物臨床效果和毒性的篩選能力。研究發(fā)現(xiàn)，三維模型能準確表現(xiàn)人體復雜的組織結(jié)構(gòu)，可廣泛用于疾病建模。生物醫(yī)學、材料和工程領(lǐng)域在制造各種三維體外模型方面取得重大進展，與傳統(tǒng)模型相比，這些模型具有更好的疾病進展預測能力和藥物療效，為新藥研發(fā)提供更加有效的平臺。近日，來自美國賓夕法尼亞州立大學的Ibrahim T. Ozbolat教授和贛南醫(yī)學院彭維杰教授團隊進行了3D組織模型：生物制造技術(shù)和臨床前應(yīng)用的相關(guān)綜述。成果以“A comprehensive review on 3D tissue models: Biofabrication technologies and preclinical applications”為題于11月27日發(fā)表在《Biomaterials》上。

本綜述重點介紹了三維體外組織模型在臨床前應(yīng)用方面的最新進展，包括肝臟、骨骼、胃腸道、腎臟、心臟、大腦和軟骨等多個器官和組織的藥物篩選以及疾病建模。還討論了為特定器官制造三維模型的策略及其優(yōu)勢和缺陷。此外，本文還闡述了未來建立與生理微環(huán)境相關(guān)三維模型的考慮因素，并提供了有關(guān)知識產(chǎn)權(quán)、行業(yè)發(fā)展和監(jiān)管環(huán)境的獨特視角。

圖1 利用不同細胞來源制作三維組織模型的制造過程，針對特定器官進行疾病建模和藥物篩選

在過去幾十年中，用于疾病建模和藥物篩選等臨床前應(yīng)用的不同類型的三維體外模型制造技術(shù)取得重大進展。這些進步為其在制藥領(lǐng)域的應(yīng)用帶來新機遇。本文回顧了用于藥物篩選和疾病建模的三維體外組織模型的最新進展，這些模型適用于各種器官和組織，如圖1所示：肝臟、胃腸道、腎臟、心臟、大腦、骨骼和軟骨。本文還探討了當前為特定器官創(chuàng)建三維模型的生物制造技術(shù)，并討論了其優(yōu)勢和局限性。

一、構(gòu)建三維組織模型的生物制造技術(shù)

與二維模型相比，三維模型的優(yōu)勢已經(jīng)得到廣泛研究，加速了三維模型生物制造技術(shù)的進展。本節(jié)重點介紹開發(fā)三維模型的各種生物制造技術(shù)，包括異細胞球、水凝膠支架、微流體、有機體、生物反應(yīng)器和三維生物打印組織，如圖2所示。

圖2 用于構(gòu)建三維組織模型的常用生物制造技術(shù)

1.1 球面模型

球狀細胞是具有強細胞間粘附性的細胞團，類似于一小塊組織，可通過各種技術(shù)進行制造。以前球體模型是用懸滴技術(shù)培育的，這種方法可使細胞先形成細胞簇，然后聚集成小懸浮液。該技術(shù)可以在常見試管、玻璃和孔板中培育球體。在藥物評估領(lǐng)域，懸滴技術(shù)的主要問題是其有限的細胞培養(yǎng)體積使藥物導入過程復雜化，尤其是在涉及培養(yǎng)基更換時，限制其在高通量應(yīng)用中的使用。作為一種替代方法，通過使用涂有非反應(yīng)性基底的孔板抑制細胞粘附到塑料表面，可以生產(chǎn)出更大培養(yǎng)體積的球形細胞。粘附性低的孔板可促進細胞與細胞之間的相互作用，促進球狀結(jié)構(gòu)的形成。該技術(shù)通常用于研究腫瘤球體內(nèi)的藥物反應(yīng)。該技術(shù)操作簡單、成本低廉、可重復性強、可與多種腫瘤細胞系兼容，適用于中高通量的藥物篩選。但是其靈活性受到限制，因為球形細胞可在培養(yǎng)基中自由漂浮，妨礙培養(yǎng)基的更換過程。有些細胞系由于粘附素表達受限，在低附著環(huán)境中無法自然形成球形結(jié)構(gòu)。

1.2 水凝膠支架
ECM與細胞之間的相互作用以及這種相互作用如何影響細胞形態(tài)和生物學變化對藥物篩選尤為重要，這促使研究人員利用類ECM生物材料進行三維模型的生物制造。其中，最常見的方法是將細胞包裹在與原生ECM特性相似的水凝膠中。根據(jù)制備水凝膠的材料來源，可分為天然水凝膠和合成水凝膠兩類。

1.3 新興生物制造技術(shù)
基于微流控技術(shù)的微生理系統(tǒng)以及器官芯片技術(shù)一直是制造三維模型的先進平臺。這些技術(shù)可以控制細胞之間的相互作用以及ECM與細胞之間的相互作用，并實現(xiàn)灌注功能，但要將細胞-細胞和細胞-ECM之間的相互作用應(yīng)用于微孔板的高通量篩選工具則具有挑戰(zhàn)性。與此相反，三維生物打印作為一種創(chuàng)建高通量三維模型的技術(shù)已經(jīng)較為成熟，能夠加入可調(diào)ECM成分以模擬體內(nèi)條件。這些特點使該技術(shù)尤其適合藥物篩選。

圖3 用于構(gòu)建三維組織模型生物制造技術(shù)的優(yōu)缺點

二、用于藥物篩選和建立疾病模型的三維組織模型

2.1 肝臟
肝臟是維持體內(nèi)平衡的主要器官，在氨基酸、脂類、異源物代謝、蛋白質(zhì)、葡萄糖、凝血因子和膽汁生成方面發(fā)揮重要作用。在過去十年中，許多研究工作都集中在肝臟模型的開發(fā)上，這些模型可模擬肝臟功能。用于研究肝臟疾病相關(guān)機制和藥物的影響。二維培養(yǎng)的原代人肝細胞（PHHs）是評估藥物作用和毒性的重要模型。然而，這種模型會迅速喪失肝細胞功能。其他肝細胞系也因功能不全和缺乏體內(nèi)研究微環(huán)境而受到限制。三維肝細胞模型為研究肝臟疾病、評估藥物代謝和藥代動力學（PK）提供前景。目前已開發(fā)出一系列用于肝功能研究的不同三維肝病模型，可用于急性和慢性藥物肝毒性預測、肝纖維化、脂肪肝、肝硬化和肝癌藥物篩選。三維模型能更準確地揭示肝病的機理，使其成為更好的藥物篩選平臺。

圖4 用于篩選抗癌藥物（包括多柔比星(DOX)和順鉑(CIS)）的三維內(nèi)皮化肝腫瘤模型

2.2 胃腸（GI）道
消化道是指從胃到肛門的消化道，包括膽囊、小腸、大腸和直腸。是消化系統(tǒng)的主要通道，在食物消化、營養(yǎng)吸收、免疫保護和激素合成過程中發(fā)揮重要作用。消化道疾病的高發(fā)病率仍然是影響公眾健康的一個重要問題。針對這一健康問題的研究日益增多，臨床前藥物測試依賴于體外模型得出的數(shù)據(jù)。最近關(guān)于三維方法的研究得到進一步應(yīng)用。用于評估藥物和個性化治療疾病建模的三維消化道模型正在逐步建立。

圖5 消化道三維藥物篩選模型

2.3 腎臟
腎臟是藥物毒性作用的主要器官之一，腎臟損傷的早期階段很難被發(fā)現(xiàn)�；颊咄ǔＴ谀I臟嚴重受損甚至腎功能衰竭時才會知道。據(jù)統(tǒng)計，在新藥研發(fā)階段參與臨床試驗的候選者中，有30%的人因意料之外的腎毒性和不良反應(yīng)而退出臨床試驗過程。因此，一個可靠的腎毒性預測模型可以保證臨床用藥的安全性，大大降低藥物開發(fā)的風險。近端腎小管是腎臟的敏感區(qū)域，藥物的代謝排泄過程通常發(fā)生在腎小管上皮細胞上。因此，腎毒性的早期預測在很大程度上依賴于近端腎小管。

圖6 模擬腎小球的三維球體模型，有助于快速篩選藥物

2.4 心臟

藥物誘發(fā)的心臟毒性可導致嚴重的心血管疾病，如心肌壞死、心肌梗死和嚴重的致命性心律失常，從而導致藥物開發(fā)終止或退出市場�？菇M胺藥物特非那定（Terfenadine）就是這類藥物的一個例子，它會阻塞心臟鉀通道，導致動作電位延長，使心電圖（ECG）上觀察到的QT間期顯著延長。最終導致嚴重的心律失常，并可能導致死亡�？股�素、鎮(zhèn)靜劑和抗抑郁藥等藥物也具有類似作用。心臟毒性通常在細胞培養(yǎng)中進行評估，無法提供人體組織的真實情況。另一方面，動物模型與人體缺乏轉(zhuǎn)化相關(guān)性，因此采用三維人體心臟模型是一種可取的方法。

圖7 利用從正常人體內(nèi)獲得的心臟成纖維細胞和iPSC-CM生成組織的示意圖

2.5 骨骼和軟骨
大量研究表明，三維模型中的細胞與二維模型中的細胞形態(tài)不同。細胞形態(tài)對細胞生長、成熟、細胞程序性死亡以及遺傳物質(zhì)和蛋白質(zhì)的合成等都有顯著影響。與二維培養(yǎng)的成骨細胞和軟骨細胞相比，三維培養(yǎng)的細胞增殖率較低。此外，多項研究表明，三維模型具有增強成骨或軟骨作用的能力，三維細胞通常具有與體內(nèi)組織基本相似的基因表達譜。研究還發(fā)現(xiàn)，不同骨和軟骨模型具有不同的藥物敏感性。細胞在三維模型中通常比二維模型表現(xiàn)出更強的抗藥性，二維模型可能是體內(nèi)藥物反應(yīng)的更好載體。

圖8 利用基于支架的方法生產(chǎn)PLMA水凝膠并創(chuàng)建體外OS模型

2.6 腦
全球約有六分之一的人受到神經(jīng)系統(tǒng)疾病的影響，這些疾病包括精神分裂癥、癲癇、老年癡呆癥、腦腫瘤等。目前，研究人員主要依賴于傳統(tǒng)的動物模型，但動物模型存在一些局限性，如成本高、耗時長，而且動物治療往往在臨床試驗中失敗，因此，為了解神經(jīng)系統(tǒng)疾病的病因和進展促使研究人員尋求替代模型，以更好揭示神經(jīng)系統(tǒng)疾病并發(fā)現(xiàn)潛在的治療方法或藥物。為模擬三維神經(jīng)組織的復雜性，神經(jīng)類器官是藥物發(fā)現(xiàn)領(lǐng)域的主要模型。

圖9 人類脊髓類器官組織（hSCOs）的生成過程

三、建立與生理相關(guān)微環(huán)境的要求

組織結(jié)構(gòu)和機械特性在調(diào)節(jié)各種生物活動方面起至關(guān)重要的作用，包括干細胞分化、癌癥進展和對抗癌治療的反應(yīng)。微環(huán)境（包括ECM成分、硬度等）控制細胞行為，并決定細胞對周圍ECM環(huán)境的反應(yīng)。要創(chuàng)建仿生三維模型進行有效藥物篩選，細胞、生物材料、制造方式和刺激物的適當組合至關(guān)重要。一般來說，微環(huán)境可以通過組織物理、化學和生物特征反映出來。物理特征通常包括ECM排列、硬度和組織微結(jié)構(gòu)�；瘜W特征包括ECM成分和細胞因子，生物特征包括細胞組成和細胞間作用、自分泌和旁分泌、血管和神經(jīng)支配等。為設(shè)計出有效的體外藥物篩選裝置，在選擇細胞、生物材料、制造方式以及隨后的組織成熟過程時，都應(yīng)考慮這三個特征。



四、知識產(chǎn)權(quán)、行業(yè)和監(jiān)管環(huán)境
盡管三維模型已具有在藥物開發(fā)領(lǐng)域替代動物模型的可行性，但在藥物開發(fā)過程中，研究人員可能會對替代動物模型表現(xiàn)出一定程度的猶豫，這需要研究人員、工業(yè)界和監(jiān)管部門的共同努力。在生物制造技術(shù)中，生物打印因其具有自動化和標準化處理的潛力而極具吸引力和前景。人造組織/器官類別主要應(yīng)用于工業(yè)和研究領(lǐng)域，其中藥物測試、疾病模型研究和毒性評估是最多的應(yīng)用。然而，缺乏經(jīng)過驗證的科學驗證和法規(guī)是應(yīng)用生物打印人體組織推動藥物開發(fā)的重要障礙。監(jiān)管機構(gòu)批準新技術(shù)所需的科學驗證可通過生物打印模型測試來實現(xiàn)。如果這些模型能夠可靠預測人體毒性，那么它們就會得到科學界的認可，這自然會導致隨后的監(jiān)管調(diào)整�？傊�，研究人員應(yīng)積極尋求和收集來自各種實驗的充足數(shù)據(jù)，以增強使用生物打印模型的信心。因此，隨著時間的推移，這些模型很可能會因支持證據(jù)的不斷增加而獲得監(jiān)管部門的認可。不過，在實驗室應(yīng)用的初期階段，這些模型只能作為動物實驗的補充。除進一步工業(yè)化進程外，樣品的一致性對標準藥物篩選方案和結(jié)果可靠性尤為重要。三維生物打印模型應(yīng)在結(jié)構(gòu)、功能和成熟度方面保持高度一致�？傊�，三維生物打印和醫(yī)學研究的進步需要克服目前的障礙。因此，為未來做好準備對于從事知識進步的研究人員、技術(shù)、行業(yè)以及支持和資助這些活動的政府都至關(guān)重要。

五、總結(jié)與展望
三維組織模型在臨床前應(yīng)用方面的進展和利用仍處于初級階段，而三維模型使用的日益增加為高效篩選藥物用于后續(xù)臨床前試驗提供平臺，可提供更快的結(jié)果和更優(yōu)的成本效益。隨著創(chuàng)新技術(shù)的不斷進步，三維模型也在努力創(chuàng)造出能夠大規(guī)模精確模擬體內(nèi)環(huán)境的模型。確保了其適用藥物篩選過程。從簡單的球體到有機體，三維模型已經(jīng)發(fā)展到微流控芯片與生物打印相結(jié)合，在調(diào)整生物材料的動態(tài)環(huán)境中構(gòu)建異細胞，以配合實時分析。個體化療法為最受歡迎的前瞻性應(yīng)用之一�？紤]到三維模型的復雜結(jié)構(gòu)及其模擬體內(nèi)環(huán)境的能力，規(guī)范藥物篩選實驗方案并滿足量化標準變得至關(guān)重要。來自大量研究的充足數(shù)據(jù)應(yīng)得到科學驗證。因此，監(jiān)管機構(gòu)和制藥公司可能會將三維模型作為加強和簡化藥物開發(fā)過程的重要工具。

文章來源：
https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2023.122408