3D细胞培养用于药代动力学研究和药物安全性评估
- 作者: 基尔比生物科技
- 来源: 公众号“基尔比”
- 日期 : 2024-02-18
传统制药行业使用重组酶、肝微粒体和二维（2D）细胞培养物（如原代肝细胞和人结直肠癌细胞）对药物进行体外检测，以分析药物的吸收、分布、代谢和排泄（ADME）特性和进行药物安全性评估。然而，2D细胞培养难以模拟器官的生理环境，因此很难直接将体外测定数据外推到复杂的体内。如今，三维（3D）细胞培养系统迅速发展，从简单的球状体到复杂的器官芯片，从单细胞型静态3D模型到配备微流控的细胞共培养3D模型（图1)。与 2D 细胞培养模型相比，3D细胞培养模型能够更好地模拟细胞生理和/或病理条件下所处的微环境，在评估药代动力学（PK）方面具有更大的潜力。3D细胞培养模型可以对低清除率药物和多次给药进行药物安全性评估、收集PK数据和关键生物标志物以及利用患者来源细胞进行疾病建模。
患者来源的肿瘤类器官（PDTO）是3D多细胞自组装结构，可以反映患者来源的组织和表型异质性。此外，PDTO可以扩展生物样本库，使其成为一种有效的药物筛选模型。也有研究表明，PDTO能够预测患者的药物反应。这些研究为使用PDTO作为精准医疗工具铺平了道路。
尽管PDTO模型令人兴奋，但它并非没有局限性。传统的PDTO培养方法通常选择上皮细胞，在培养物中多次传代后的基质细胞残留极少，而微环境中细胞与上皮癌细胞与之间的作用会显著影响肿瘤生长和药物反应。因此，某些类别药物无法用缺乏完整微环境的传统类器官模型进行测试。目前正在开发新的方法，例如气液界面系统，以支持类器官培养中的基质细胞（包括免疫细胞、成纤维细胞和内皮细胞等）的多样性。
影响药物筛选的另一个重要因素是患者间类器官的异质性，包括大小差异、细胞异质性等。大多数PDTO药物都是使用ATP测定作为细胞生化活力读数，但目前也在研究基于成像的方法，以解释细胞对药物反应的复杂性。共聚焦活细胞成像与数据分析技术相结合，可以捕获大量参数，这些参数可用于确定PDTO中的细胞行为和药物疗效。
3D细胞培养模型在临床前药物测试中仍有很多工作要做，以提高标准化和可重复性，最终得到广泛采用。
图1开发3D 细胞培养系统的总体方案
注：开发3D细胞培养系统来模拟体内生理器官，以评估药物的吸收、分布、代谢和排泄以及免疫反应。最佳目标是将这些器官特异性3D模型集成到一个或多个相互连接的微生理系统中，从而可以评估不同给药途径的药物药代动力学，改进药物安全性和有效性评估以及进行疾病建模。
药物研发和毒理学研究的主要局限性之一是在单层细胞水平或体内动物与人类系统之间缺乏可靠的模型系统。对于神经退行性疾病尤其如此，例如肌萎缩侧索硬化症（ALS）和阿尔茨海默病（AD）以及许多罕见疾病。此外，许多行业禁止利用动物进行毒理学测试，而3D细胞培养模型可用人类模拟物代替动物进行产品开发和安全测试。3D细胞培养模型的研究重点是建立功能性体外系统，通过创建器官和子系统来模拟运动控制、肌肉功能、髓鞘形成和认知功能，以及心脏和肝脏子系统，将微系统制造技术与蛋白质和细胞因子的表面修饰作用相结合，启动和维持细胞生长和自组装成多组分系统，如创建功能性人类神经肌肉接头（NMJ）系统来理解ALS（图2)。
图2 肌萎缩侧索硬化症（ALS）的功能性神经肌肉接头（NMJ）模型
注：将 ALS 患者的诱导多能干细胞（iPSC）分化的运动神经元（MN）引入NMJ 系统，并与来自健康受试者的原代成肌细胞共培养以促进 NMJ 形成。通过记录肌纤维收缩（在电刺激MN的同时检测功能性NMJ。
人类肿瘤的复杂性对药物发现和药物疗效相关离体模型提出了更高的要求。尽管使用2D单层细胞培养物进行癌症药物筛选取得了一定的进展，但传统的癌症模型和细胞毒性测量是否能准确捕捉患者对药物反应的异质性仍然存在疑问。开发能够更接近肿瘤细胞和微环境异质性的模型有助于将药物的临床前发现转化为临床应用。患者来源的肿瘤类器官（PDTO）是3D多细胞自组装结构，可以反映患者来源的组织和表型异质性。此外，PDTO可以扩展生物样本库，使其成为一种有效的药物筛选模型。也有研究表明，PDTO能够预测患者的药物反应。这些研究为使用PDTO作为精准医疗工具铺平了道路。
尽管PDTO模型令人兴奋，但它并非没有局限性。传统的PDTO培养方法通常选择上皮细胞，在培养物中多次传代后的基质细胞残留极少，而微环境中细胞与上皮癌细胞与之间的作用会显著影响肿瘤生长和药物反应。因此，某些类别药物无法用缺乏完整微环境的传统类器官模型进行测试。目前正在开发新的方法，例如气液界面系统，以支持类器官培养中的基质细胞（包括免疫细胞、成纤维细胞和内皮细胞等）的多样性。
影响药物筛选的另一个重要因素是患者间类器官的异质性，包括大小差异、细胞异质性等。大多数PDTO药物都是使用ATP测定作为细胞生化活力读数，但目前也在研究基于成像的方法，以解释细胞对药物反应的复杂性。共聚焦活细胞成像与数据分析技术相结合，可以捕获大量参数，这些参数可用于确定PDTO中的细胞行为和药物疗效。
3D细胞培养模型在临床前药物测试中仍有很多工作要做，以提高标准化和可重复性，最终得到广泛采用。