3D细胞培养：市场和产业需求（中）

微流控芯片

​​5. 用于药物发现的三维体外模型。问题：药物发现过程中的一个真正瓶颈

祝贺你，你在实验室找到了一种成功治疗疾病的药物！这是一个相当重要的里程碑。这通常意味着你已经在老鼠身上研究过这种药物，如果不是在细胞研究中的话。现在，你需要决定是否要花费令人难以置信的时间和金钱来通过繁重的法规和更多的临床前测试，直到你的药物可以在人体临床试验中进行测试。结果却发现…。它什么都不起作用，或者更糟糕的是，它有不可预见的副作用。

这是当前药物发现过程中令人悲哀的现实：大约10种对老鼠有效的药物中有9种对人类无效(图7)。有人提出，在某些情况下，设计糟糕的人体临床试验可能是错误的。然而，这些统计数据表明，一个问题最有可能存在于临床前模型的预测能力：我们需要更好地概括人类对药物的反应的模型。

特别是，人们认为主要问题在于未能预测药物的疗效和毒性。这是当前医药行业面临的巨大瓶颈。想象一下，平均花费10年和26亿美元却一无所获。还在想为什么我们到今天还没有轻松治愈所有的主要疾病吗？我们需要做一些事情；我们需要重新思考药物发现系统的形式，以便更有选择性地过滤最终对人类有效的药物。其目标是三倍的：提高药物发现过程的成功率，增加产量并降低相关成本。

不用说，在没有事先证明其潜在毒性的情况下，新试剂不能在人体上直接测试。相反，科学家传统上一直使用替代模型来预测药物在人类身上的作用，例如动物或细胞模型，每个模型都有它们的利弊(图8)。请注意，图8中列出的大多数利弊都适用于体外模型作为一个整体，即2D和3D细胞系统。

使用动物模型的主要优势是无与伦比的：毕竟它是一个完整的生命有机体。这意味着人们不仅可以评估药物对感兴趣细胞的局部影响(就像你在典型的简单细胞研究中所做的那样)，还可以评估它对全身的影响(换句话说，同时对许多器官产生影响)。同样，现在越来越明显的是，细胞的微环境不仅影响细胞的生理，而且影响细胞对药物的反应：因此，能够在所有细胞类型实时相互作用的动物中研究药物的影响是一种优势。虽然已经有了许多强大的鼠标模型，但它们的一些内在局限性将很难克服。例如，在动物身上的结果本质上是基于非人类细胞和病原体，这可能不会忠实地模拟人类的药理反应。虽然研究已经将人类细胞引入小鼠，但这通常必须在免疫系统受损的小鼠身上进行，以防止人类细胞的排斥反应。这反过来又意味着动物模型不能正确反映免疫细胞的作用，这一点应该被考虑在内，因为免疫细胞在许多疾病中是关键因素已变得明显。无论如何，在小鼠体内引入的人类细胞正在与小鼠起源的细胞微环境相互作用，这可能再次无法正确反映患者体内发生的全人类细胞相互作用。相比之下，细胞研究可以完全由人类细胞进行。这避免了从动物到人类的结果外推造成的差异，这对免疫系统来说可能特别明显。尽管细胞模型仍然不能总是正确地预测人类对药物的反应，但3D细胞培养领域仍处于初级阶段，正在迅速发展；因此，它可能比动物模型更容易填补目前临床前预测模型的空白。事实上，许多新兴的3D细胞培养产品已经在药物发现过程中实施。传统上，球体、器官和芯片上的器官被广泛用于学术环境中的疾病建模。它们现在也被转化为更多的药理学应用，如药物筛选、毒性和药代动力学测试(Fang&Eglen在一篇详尽的综述中详细介绍了这一点)。你会正确地认为，3D细胞培养已经可以为药物发现做很多事情。如果你认为这就是全部，再想一想：不知何故，3D细胞培养也可以极大地推动细胞治疗领域的发展。

6. 细胞疗法

细胞疗法的目标是替换受损或衰竭器官的患者的组织。为了实现这一目标，人们做出了巨大的努力，利用各种3D细胞培养产品，进行基础的体外研究，并开发出培养细胞的方案，以便最终植入患者体内。支架上装载了细胞，最终植入患者体内，以在局部再生感兴趣的组织。三维支架可以被放置在生物反应器内，以便于在3D中研究细胞，优化组织生长，并预测其植入后的力学响应。这在生物反应器中是独一无二的，因为它们提供了对培养环境的如此严格的控制，并使组织的物理条件能够模拟细胞在移植后所经历的力。传感器通常被集成在生物反应器中，这有助于建立计算模型并获得准确的实验数据，以预测细胞对其在体内植入的反应。干细胞可以注射到患者体内，以促进组织特异性再生。有趣的是，已经表明，与2D培养相比，3D培养的干细胞具有临床益处。例如，在小鼠移植后，在3D球体中扩大间充质干细胞可以增强它们的抗炎反应。干细胞球体也被用于提高临床试验中干细胞产量。类器官在体外是从干细胞或器官前体细胞发展而来的，它们自组织起来类似于器官的基本显微解剖学。因此，人们认为它们有一天可能成为替代某些器官的移植来源。到目前为止，复制肾脏或结肠的有机化合物已经被移植到小鼠身上，并成功地进行了长期植入。人们可以使用3D生物打印器官进行移植，而不是使用自组装的有机体。虽然我们还远不能打印出整个器官的精确复制品，但已经成功地打印出了膀胱、气管、骨骼和软骨的生物打印，并已植入动物和人类体内。最近，还开发了一种称为细胞片工程的新程序，它包括将融合的单层细胞与它们所分泌的细胞外基质一起分层。这已经被用来创造富含ECM的组织，类似于角膜、肾脏或肝脏。最后，虽然微流控芯片往往与创建3D体外模型更相关，但已经开发出一些微流控工具，将细胞封装在3D ECM中，可以植入患者体内。一项研究使用微流控设备创造了水凝胶微纤维，然后将其用于包裹和植入小鼠的胰岛。

7.3D细胞培养的商业化现状

在这里，我们描述了商业3D细胞培养方法的典型例子。商业化的无支架产品基本上存在于促进球体形成和筛选的平台中。球体是自组织的细胞团，它概括了肿瘤的重要方面，如坏死和缺氧的核心以及药物扩散的减少。1-通过使用非附着表面(例如Happy Cell或住友胶木)2-通过将细胞悬浮在悬挂在倒置井板上的液体中(例如：InSphero、3D Biomatrix)，3-通过使用旋转烧瓶或旋转系统搅拌细胞，从而防止它们的粘连(例如：惠顿、Synthecon)，可以促进细胞聚集成球体。球体也可以像Matrigel(BD生物科学)一样被放置到3D基质中。促进3D细胞培养的基于支架的商业化产品包括销售直接从动物组织提取的1-基质/水凝胶(例如，Invitgen的Geltrex)或由培养细胞分泌的1-基质/水凝胶(例如，BD Bioscience的Matrigel)，由不同孔大小的聚苯乙烯制成的2-明确的支架(即Amsbio的Alvetex，或Sigma的3D Biotek Insert)，或3-工程载体珠，其中细胞在外部以单层的形式生长(例如来自Global Cell Solutions的GEM，来自SoloHill的ProNectin F珠，来自GE Healthcare的Cytodex)或更立体的内部毛孔(来自GE Healthcare的Cytopore)。

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​注意，由于培养表面积与体积比大，这些小球增加了细胞培养的产量，因此也用于增加细胞产生抗体或病毒的产量。生物反应器已经成为许多致力于3D细胞培养的实验室的主要产品，特别是再生医学。虽然生物反应器通常是在实验室中设计和定制的，但也存在一些商业规模的产品，例如Bose公司的3D Culture Pro，这是一种便携式生物反应器，包含多达6个腔室，可以容纳各种样本，包括细胞结构。另一个例子是Pall公司的XRS20，这是一种带有集成传感器的生物反应器，可以通过一次性使用的3D生物容器以受控的方式搅拌细胞，从而降低污染风险。用于细胞治疗目的的现成产品越来越少，因为将产生的组织植入患者体内的过程增加了对安全性的显著需求。据我们所知，只有少数几家公司提供制造移植物的服务。辛烷医疗集团的自体临床组织工程系统(ACTES)正试图通过创建一个生物反应器系统来实现整个过程的自动化，该系统可以消化患者的软骨活检，扩大软骨细胞，并直接产生细胞悬液或骨软骨移植。这种协议的自动化需要巨大的前期投资，但可以帮助该领域提高安全和可追溯性标准。最后，微流控芯片正在慢慢渗入3D细胞市场。Sackmann等人在2015年将该技术描述为仍主要由发表在工程期刊上的“原则证明”研究组成，这些研究描述了没有明确生物医学需求的微流控原型。慢慢地，这些平台的生物学相关性越来越强，现在学术界已经创建了许多微流控平台来模拟和研究广泛的生物过程，从癌细胞通过水凝胶或血管系统的迁移，到神经元通讯或有机体的发育。在设计芯片上的器官方面有一项特别的努力，以使器官相互连接，从心脏、大脑、肝脏到芯片上的肺，这正在催生几家公司。Eulate Inc.是此类芯片器官商业开发的先驱。此外，还有商业化的基本微流控单元阵列，允许在两个可持续灌流的储存池(贝尔·布鲁克斯实验室和细胞自给药库)之间引入3D细胞外基质中的细胞。微流控技术现在已经成熟，可以进一步发展，特别是可以从学术阶段转化为工业阶段。

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