綜述：生物3D打印藥物的體外評價模型

來源：EngineeringForLife

據(jù)估計，一種新藥從研發(fā)到投入使用需要 12 ～ 15 年，候選藥物實際功效以及毒性的不可預(yù)知性造成了大約50%的研發(fā)失敗，在前期巨大投入的基礎(chǔ)上大約 23% 的候選藥物在最后一步宣告失敗。藥物研發(fā)初期需要對候選化合物進行生物活性、毒性、代謝、藥理作用及藥用價值等一系列評估，從而初步淘汰部分候選藥物，降低成本，縮短周期，提高研發(fā)效率。

然而，即便經(jīng)歷了耗時且昂貴的臨床前篩選驗證，后期臨床試驗的結(jié)果仍不理想。主要瓶頸在于缺乏準(zhǔn)確的平臺及模型來進行藥物評估。傳統(tǒng)二維細胞培養(yǎng)模型，動物模型以及異體移植模型難以再現(xiàn)人體生理特征，無法精準(zhǔn)模擬臨床反應(yīng)，因而對候選藥物性能的預(yù)測性差，并且動物實驗耗時長花費高，實驗開展受限。

體外三維藥物篩選方法可以針對性解決這一系列問題。三維體外模型具有更高的生理相關(guān)性以及靈活性，有助于推進個性化精準(zhǔn)醫(yī)療。生物3D打印的快速成型以及個性化定制能力使其被廣泛應(yīng)用于藥物篩選相關(guān)模型和設(shè)備的構(gòu)造。

目前關(guān)于生物3D打印這一技術(shù)與體外藥物篩選這一領(lǐng)域的嫁接，缺乏一個系統(tǒng)性的歸納。近期EFL課題組將體外篩藥方法歸納為三種類型，并進一步闡述了其與生物3D打印技術(shù)的有機結(jié)合。

圖1 藥物開發(fā)進程

1. 迷你組織-3D培養(yǎng)條件
【優(yōu)勢】基于迷你組織模型的體外藥物篩選可以克服2Ｄ細胞培養(yǎng)模型的局限性，為細胞生長提供一個三維培養(yǎng)條件從而保持其形態(tài)和功能。
【局限性】然而迷你組織模型缺乏多尺度結(jié)構(gòu)及組織器官界面，營養(yǎng)物質(zhì)以及生物化學(xué)因子的施加缺乏精確控制以及梯度，無法模擬體內(nèi)復(fù)雜生理微環(huán)境。

圖2 迷你組織

2. 器官芯片-多重復(fù)雜微環(huán)境
【優(yōu)勢】基于器官芯片的體外藥物篩選可以克服迷你組織的局限性，借助微流控手段實現(xiàn)生物分子的有效可控時空傳送，借助灌注能力模擬人體血液流動，構(gòu)造細胞動態(tài)培養(yǎng)環(huán)境，實現(xiàn)物質(zhì)交換以及物理化學(xué)刺激加載。進一步結(jié)合模塊化概念實現(xiàn)多器官系統(tǒng)的構(gòu)建，研究不同器官之間的相互作用以及對候選藥物的系統(tǒng)性響應(yīng)。
【局限性】然而傳統(tǒng)器官芯片的材質(zhì)使其僅限于充當(dāng)一個反應(yīng)容器而無法模擬細胞外基質(zhì)環(huán)境。

圖3 器官芯片

3. 組織/器官結(jié)構(gòu)體-仿生結(jié)構(gòu)
【優(yōu)勢】通過引入模擬細胞外基質(zhì)材料來實現(xiàn)載細胞結(jié)構(gòu)構(gòu)造，可以獲得更加接近體內(nèi)真實組織器官的仿生結(jié)構(gòu)。這樣的模型不僅可以作為一個反應(yīng)容器，同時也可以充當(dāng)一個工程化的組織器官結(jié)構(gòu)體。進一步整合不同細胞以及基質(zhì)材料，結(jié)合生物３D打印技術(shù)，可以實現(xiàn)個性化仿生生理病理模型的快速定制。
【局限性】細胞外基質(zhì)材料機械性能較差，給成型精度，實驗操作以及樣品保存帶來了挑戰(zhàn)。

圖4 組織/器官結(jié)構(gòu)體

以腫瘤模型為例具體闡述生物3D打印技術(shù)在體外抗腫瘤藥物篩選中的應(yīng)用：
借助生物3D打印構(gòu)造載細胞腫瘤結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)腫瘤細胞的三維培養(yǎng)，模擬體內(nèi)微環(huán)境；
進一步模擬體內(nèi)腫瘤形態(tài)，引入多種細胞類型，構(gòu)造腫瘤球模型，重現(xiàn)體內(nèi)環(huán)境梯度；
引入微流控系統(tǒng)作為血管模型，重現(xiàn)體內(nèi)腫瘤轉(zhuǎn)移，研究腫瘤－血管相互作用，測試抗血管新生藥物；
整合腫瘤組織以及相關(guān)正常組織，評估抗腫瘤藥物的毒副作用。

圖5. 腫瘤相關(guān)模型

基于藥物篩選方案的標(biāo)準(zhǔn)化以及個性化需求，生物３D打印技術(shù)展現(xiàn)出了巨大的潛力。不同種類的藥物針對不同的組織/器官,同時單一藥物在體內(nèi)的試劑作用過程會涉及多種器官。不同類型模型的構(gòu)造對工藝方法,材料,以及條件提出了不同的需求。

為了緩解體外篩藥模型的迫切需求,將生物3D打印技術(shù)應(yīng)用于分析設(shè)備的制造以及３D組織器官模型的構(gòu)造。本文綜述了體外篩藥方法經(jīng)歷的三個階段:迷你組織,器官芯片,和組織/器官結(jié)構(gòu)體。首先為了克服2Ｄ細胞培養(yǎng)模型在預(yù)測藥物反應(yīng)中的局限性，采用迷你組織模型進行體外藥物篩選，從而為細胞提供一個三維培養(yǎng)條件；進一步為了克服迷你組織模型在模擬復(fù)雜微環(huán)境中的局限性，采用具有更高生理相關(guān)性的器官芯片模型，從而重現(xiàn)多重生理微環(huán)境；最終為了解決器官芯片材質(zhì)的局限性，引入模擬細胞外基質(zhì)材料來構(gòu)造組織／器官結(jié)構(gòu)體模型，從而獲得工程化仿生結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)更加接近體內(nèi)真實情況的藥物篩選。

相關(guān)論文“Grafting of 3D bioprinting to invitro drug screening: a review”已被Wiley雜志社的期刊Advanced Healthcare Materials在線刊登。聶晶博士生為第一作者，賀永教授為通訊作者。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adhm.201901773