綜述：生物3D打印藥物的體外評(píng)價(jià)模型

來(lái)源：EngineeringForLife

據(jù)估計(jì)，一種新藥從研發(fā)到投入使用需要 12 ～ 15 年，候選藥物實(shí)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(duì)候選化合物進(jìn)行生物活性、毒性、代謝、藥理作用及藥用價(jià)值等一系列評(píng)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(shí)且昂貴的臨床前篩選驗(yàn)證，后期臨床試驗(yàn)的結(jié)果仍不理想。主要瓶頸在于缺乏準(zhǔn)確的平臺(tái)及模型來(lái)進(jìn)行藥物評(píng)估。傳統(tǒng)二維細(xì)胞培養(yǎng)模型，動(dòng)物模型以及異體移植模型難以再現(xiàn)人體生理特征，無(wú)法精準(zhǔn)模擬臨床反應(yīng)，因而對(duì)候選藥物性能的預(yù)測(cè)性差，并且動(dòng)物實(shí)驗(yàn)耗時(shí)長(zhǎng)花費(fèi)高，實(shí)驗(yàn)開(kāi)展受限。

體外三維藥物篩選方法可以針對(duì)性解決這一系列問(wèn)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(jìn)個(gè)性化精準(zhǔn)醫(yī)療。生物3D打印的快速成型以及個(gè)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(gè)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(jìn)一步闡述了其與生物3D打印技術(shù)的有機(jī)結(jié)合。

圖1 藥物開(kāi)發(fā)進(jìn)程

1. 迷你組織-3D培養(yǎng)條件
【優(yōu)勢(shì)】基于迷你組織模型的體外藥物篩選可以克服2Ｄ細(xì)胞培養(yǎng)模型的局限性，為細(xì)胞生長(zhǎng)提供一個(gè)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(yíng)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(wú)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(shì)】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(shí)現(xiàn)生物分子的有效可控時(shí)空傳送，借助灌注能力模擬人體血液流動(dòng)，構(gòu)造細(xì)胞動(dòng)態(tài)培養(yǎng)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)交換以及物理化學(xué)刺激加載。進(jìn)一步結(jié)合模塊化概念實(shí)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(duì)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(gè)反應(yīng)容器而無(wú)法模擬細(xì)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(shì)】通過(guò)引入模擬細(xì)胞外基質(zhì)材料來(lái)實(shí)現(xiàn)載細(xì)胞結(jié)構(gòu)構(gòu)造，可以獲得更加接近體內(nèi)真實(shí)組織器官的仿生結(jié)構(gòu)。這樣的模型不僅可以作為一個(gè)反應(yīng)容器，同時(shí)也可以充當(dāng)一個(gè)工程化的組織器官結(jié)構(gòu)體。進(jìn)一步整合不同細(xì)胞以及基質(zhì)材料，結(jié)合生物３D打印技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)個(gè)性化仿生生理病理模型的快速定制。
【局限性】細(xì)胞外基質(zhì)材料機(jī)械性能較差，給成型精度，實(shí)驗(yàn)操作以及樣品保存帶來(lái)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(xì)胞腫瘤結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)腫瘤細(xì)胞的三維培養(yǎng)，模擬體內(nèi)微環(huán)境；
進(jìn)一步模擬體內(nèi)腫瘤形態(tài)，引入多種細(xì)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(cè)試抗血管新生藥物；
整合腫瘤組織以及相關(guān)正常組織，評(píng)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(gè)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(duì)不同的組織/器官,同時(shí)單一藥物在體內(nèi)的試劑作用過(guò)程會(huì)涉及多種器官。不同類型模型的構(gòu)造對(duì)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(gè)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(xì)胞培養(yǎng)模型在預(yù)測(cè)藥物反應(yīng)中的局限性，采用迷你組織模型進(jìn)行體外藥物篩選，從而為細(xì)胞提供一個(gè)三維培養(yǎng)條件；進(jìn)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(xì)胞外基質(zhì)材料來(lái)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(shí)現(xiàn)更加接近體內(nèi)真實(shí)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