"新药的发现是一场与大自然的艰苦斗争"。- 知名化学家布鲁斯-玛丽亚诺夫（Bruce Maryanoff）的这句话恰如其分地概括了繁琐而昂贵的药物研发过程。这个过程包括靶点识别、先导物发现和优化、临床前验证、临床试验到批准临床使用。

对小化合物库进行高通量筛选（HTS）以确定先导结构在药物开发过程中至关重要。值得注意的是，目前大部分基于细胞的高通量筛选仍然是通过二维（2D）细胞培养完成的，尽管众所周知二维结构不能很好地反映生理条件--这也是药物研发失败率高的原因之一^[1]。反过来，依赖动物试验的方法也会带来一系列其他弊端。

因此，科学家们对三维（3D）细胞培养寄予厚望。与二维培养物和动物模型相比，细胞球和类器官对于更具预测性的药物筛选非常有用。在本文中，我们将告诉您原因并讨论具体实例。

 

为什么细胞球和类器官在药物筛选中如此有用？

细胞外基质和其他微环境因素会影响细胞表型和药物反应。二维细胞培养无法模拟这些因素，但细胞球和类器官可以。

此外，用于药物筛选的三维细胞培养不仅可以进行类器官培养，还可以进行其他器官型培养。从再生医学的角度来看，这一点非常重要。有了器官模型，我们就可以通过重组以前作为细胞系分解和维持的细胞来探索不同的器官模型。这些模型可以复制体内组织的形态和细胞相互作用，组装出复杂的组织。

 

3D细胞培养和干细胞： 为什么磁性3D细胞培养解决方案是有利的工具？

干细胞被广泛用作再生医学和细胞治疗应用的细胞来源^[2]。干细胞类器官是一个热门话题，这是可以理解的，因为人类细胞的使用对许多科学问题具有重要意义。

我们可以将磁性三维（M3D）细胞培养用于干细胞、原代细胞和细胞系--该技术有助于为研究人员正在开发的许多疾病模型创建所需的表型。Greiner Bio-One 的M3D细胞培养解决方案的技术基础是使用NanoShuttle-PL 对细胞进行磁化。磁化后的细胞通过磁悬浮或生物打印聚集在一起，形成具有结构和生物代表性的M3D体外模型。NanoShuttle-PL由氧化铁、聚L-赖氨酸和金组成。这些纳米颗粒（直径小于50 纳米）在一夜的静态培养期间通过静电吸引附着在细胞膜上，从而导致细胞磁化。

肺部模型是3D细胞培养作为辅助工具的一个很好的例子。人类细胞也可用于其他疾病模型。

猪细胞对于肺模型研究也很重要，因为它们与人体细胞最为相似。此外，猪细胞的一个优点是很容易大量获得，因此研究人员无需制定动物实验方案。

肺的代表性培养模型是一种特别具有挑战性的体外再造组织。Tseng等人利用磁悬浮与磁性纳米粒子相结合，创建了一种有组织的支气管三维共培养模型，该模型以类似于原生组织结构的方式依次将细胞分层^[3]。三维模型由支气管中的四种人类细胞类型组装而成：内皮细胞、平滑肌细胞、成纤维细胞和上皮细胞。这些细胞层通过磁悬浮技术进行三维培养。

磁悬浮的基础是使用由聚-L-赖氨酸、氧化铁和金组成的纳米粒子，这些纳米粒子根据静电相互作用自组装。生物相容性纳米粒子的细胞粘附性使细胞具有磁性，从而实现磁性操纵^[3]。由于动物模型在COVID 研究中的代表性不强，因此与全球COVID 困境相关的再生肺组织模型就显得非常重要和相关。

 

目前3D细胞培养有哪些方法？

生产三维细胞培养物的方法有多种，所需的工作量和细胞培养物的质量各不相同。

无支架 3D 培养系统

这是培养细胞球的最简单方法，但也有缺点： 这种方法很难持续控制球体的形成和形状。大小和形状的巨大差异是无支架方法的一个局限，包括低吸附表面培养系统、悬滴法和生物反应器技术。

基于支架的3D培养系统

基于支架的方法侧重于应用细胞相容性、天然或合成生物材料来支持细胞增殖、分化和功能，并允许营养和代谢物交换。用于三维细胞培养的市售天然生物材料具有很高的生物相容性，但其未确定的降解率和异种成分的存在限制了它们在人类中的应用^[4]。这些方法也无法在4次传代后保持活力、扩增和分化潜力。

3D生物打印培养系统

3D生物打印是用于复杂生物组织的生物制造和再现的组织工程技术。其中，磁性3D生物打印（M3D）是一种令人兴奋的方法： 该系统是一种适合包括唾液腺等外分泌腺的无异种、高扩展性和可重复性的三维培养平台。M3D使用生物兼容的磁性纳米粒子来标记细胞，并根据使用的磁场将细胞打印成有空间组织的三维结构^[4]。

 

如何利用类器官培养物进行高通量筛选？

Fernandez-Vega 等人将三维技术应用于首次大规模筛选，利用HTS针对原发性胰腺癌细胞筛选了超过15万个化合物分子。这是首次使用直接从活检中获得的临床样品，构建体外三维胰腺肿瘤模型进行如此大规模的筛选活动，其方式与使用二维细胞模型进行传统药物筛选的方式相同^[5]。

Hou 等人介绍了磁性3D细胞培养在大规模药物筛选中的应用^[6]。研究人员开发了一种与 HTS 兼容的方法，通过结合使用细胞排斥表面产品和磁力生物打印技术，在标准的384孔和1536孔平底板中培养有机体。他们通过研究特征明确的抗癌剂对四种与 KRAS 突变相关的患者胰腺癌原代细胞的影响，验证了这种方法。通过对约 3300 种已获批准的药物进行细胞毒性试验筛选，测试了该技术与 HTS 自动化的兼容性。结果表明，该技术可用于直接取用临床样品构建体外三维肿瘤模型进行大规模药物筛选^[6]。

 

参考文献

[1] Langhans SA. Three-Dimensional in Vitro Cell Culture Models in Drug Discovery and Drug Repositioning. Front Pharmacol. 2018 Jan 23;9:6. doi: 10.3389/fphar.2018.00006. PMID: 29410625; PMCID: PMC5787088.
[2] Fang Y, Eglen RM. Three-Dimensional Cell Cultures in Drug Discovery and Development. SLAS Discov. 2017 Jun;22(5):456-472. doi: 10.1177/1087057117696795. Erratum in: SLAS Discov. 2021 Oct;26(9):NP1. PMID: 28520521; PMCID: PMC5448717.
[3] Tseng H, Gage JA, Raphael RM, Moore RH, Killian TC, Grande-Allen KJ, Souza GR. Assembly of a three-dimensional multitype bronchiole coculture model using magnetic levitation. Tissue Eng Part C Methods. 2013 Sep;19(9):665-75. doi: 10.1089/ten.TEC.2012.0157. Epub 2013 Feb 25. PMID: 23301612.
[4] Rodboon T, Yodmuang S, Chaisuparat R, Ferreira JN. Development of high-throughput lacrimal gland organoid platforms for drug discovery in dry eye disease. SLAS Discov. 2022 Apr;27(3):151-158. doi: 10.1016/j.slasd.2021.11.002. Epub 2021 Dec 4. PMID: 35058190.
[5] Fernandez-Vega V, Hou S, Plenker D, Tiriac H, Baillargeon P, Shumate J, Scampavia L, Seldin J, Souza GR, Tuveson DA, Spicer TP. Lead identification using 3D models of pancreatic cancer. SLAS Discov. 2022 Apr;27(3):159-166. doi: 10.1016/j.slasd.2022.03.002. Epub 2022 Mar 17. PMID: 35306207.
[6] Hou S, Tiriac H, Sridharan BP, Scampavia L, Madoux F, Seldin J, Souza GR, Watson D, Tuveson D, Spicer TP. Advanced Development of Primary Pancreatic Organoid Tumor Models for High-Throughput Phenotypic Drug Screening. SLAS Discov. 2018 Jul;23(6):574-584. doi: 10.1177/2472555218766842. Epub 2018 Apr 19. PMID: 29673279; PMCID: PMC6013403.