药物开发变革之HTS 结合 3D 细胞培养

结合高通量筛选和三维细胞培养，实现药物开发和个性化医疗中尚未实现的成果。

什么是3D细胞培养？

什么是HTS？

为什么要将 HTS 与 3D 细胞培养相结合？

什么是3D细胞培养？

药物开发过程中对预测体外结果的需求推动了三维细胞培养工具的发展。不久前，研究人员还对在三维环境中培养细胞的价值持怀疑态度。如今，三维细胞培养已成为一种常规工具，在药物研发、个性化医疗和生命科学研究中发挥着重要作用。一系列商业化平台的出现，解决了三维细胞培养过程中的实际和生物学难题。三维细胞培养方法尽管影响较早，但仍然相对较新，在培养技术的稳健性方面，甚至在描述三维形态的术语使用方面，仍然存在模糊不清之处。^[1,2]

什么是高通量筛选（HTS）？

高通量筛选（HTS）是早期药物发现不可或缺的一部分，并已成为开发个性化药物检测的必要工具。^{[3, 4]} 一般来说，作为药物开发的早期步骤之一，高通量筛选的直接目标是从大量化学品中找出化合物线索。HTS 的工具包括液体处理、机械化操作、专用显微镜、读板仪器、设计的微孔板、数据存储计算机服务器、数据分析软件和人工智能算法。

制药和生物技术领域通常使用 HTS 方法来加速药物开发和降低检测成本。因此，HTS 的基本要求是样品微型化以及数据采集和分析的速度。小样本量可最大限度地提高经济价值，采样率可提高结果的统计置信度。96 孔、384 孔或 1536 孔等高密度微孔板在实现 HTS 和各种光学读出选项（如荧光和化学发光）方面发挥着关键作用。为了满足 HTS 用户的需求，仪器和新的生物标记物正在迅速发展，同时还出现了能使基于细胞的检测实现微型化、高通量、自动化和快速化的技术，如磁性三维细胞培养（M3D）^[5]。

为什么需要三维和 HTS？

为了提高药物开发的预测性、速度和成本，需要将三维细胞培养与 HTS 相结合。虽然目前正在开发各种三维组织培养技术，但很少有技术能满足 HTS 用户对微型化、读出兼容性和检测效率的要求。^[3,4] 要克服这些挑战，需要各利益相关方、制药/生物技术公司、CRO、研究人员、仪器公司、微孔板制造商以及数据采集和分析软件开发商之间的协调。   

除了微型化、自动化和检测读出要求之外，三维细胞培养与 HTS 的整合还需要以下一般步骤： 化合物库维护和样品制备 - 工作流程与实验室自动化和机器人技术相匹配 - 高度重现性和均质性的三维细胞球体或器质体 - 生物标记读出 - 数据采集和存储 - 数据分析算法

[1]  Souza GR and Spicer T. SLAS special issue editorial 2022: 3D cell culture approaches of microphysiologically relevant models. SLAS Discov. 2022 Mar. doi: doi.org/10.1016/j.slasd.2022.03.006

[2] 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. 

 [3] 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.      

[4] 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.          

[5] Souza, G., Molina, J., Raphael, R. et al. Three-dimensional tissue culture based on magnetic cell levitation. Nature Nanotech 5, 291–296 (2010).