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知性造成了大約50%的研發(fā)失敗，在前期巨大投入的基礎上大約 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，即便經歷了耗時且昂貴的臨床前篩選驗證，后期臨床試驗的結果仍不理想。主要瓶頸在于缺乏準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，無法精準模擬臨床反應，因而對候選藥物性能的預測性差，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性以及靈活性，有助于推進個性化精準醫(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用于藥物篩選相關模型和設備的構造。

目前關于生物3D打印這一技術與體外藥物篩選這一領域的嫁接，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打印技術的有機結合。

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構及組織器官界面，營養(yǎng)物質以及生物化學因子的施加缺乏精確控制以及梯度，無法模擬體內復雜生理微環(huán)境。

圖2 迷你組織

2. 器官芯片-多重復雜微環(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，構造細胞動態(tài)培養(yǎng)環(huán)境，實現(xiàn)物質交換以及物理化學刺激加載。進一步結合模塊化概念實現(xiàn)多器官系統(tǒng)的構建，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。
【局限性】然而傳統(tǒng)器官芯片的材質使其僅限于充當一個反應容器而無法模擬細胞外基質環(huán)境。

圖3 器官芯片

3. 組織/器官結構體-仿生結構
【優(yōu)勢】通過引入模擬細胞外基質材料來實現(xiàn)載細胞結構構造，可以獲得更加接近體內真實組織器官的仿生結構。這樣的模型不僅可以作為一個反應容器，同時也可以充當一個工程化的組織器官結構體。進一步整合不同細胞以及基質材料，結合生物３D打印技術，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/器官結構體

以腫瘤模型為例具體闡述生物3D打印技術在體外抗腫瘤藥物篩選中的應用：
借助生物3D打印構造載細胞腫瘤結構，實現(xiàn)腫瘤細胞的三維培養(yǎng)，模擬體內微環(huán)境；
進一步模擬體內腫瘤形態(tài)，引入多種細胞類型，構造腫瘤球模型，重現(xiàn)體內環(huán)境梯度；
引入微流控系統(tǒng)作為血管模型，重現(xiàn)體內腫瘤轉移，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正常組織，評估抗腫瘤藥物的毒副作用。

圖5. 腫瘤相關模型

基于藥物篩選方案的標準化以及個性化需求，生物３D打印技術展現(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的試劑作用過程會涉及多種器官。不同類型模型的構造對工藝方法,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打印技術應用于分析設備的制造以及３D組織器官模型的構造。本文綜述了體外篩藥方法經歷的三個階段:迷你組織,器官芯片,和組織/器官結構體。首先為了克服2Ｄ細胞培養(yǎng)模型在預測藥物反應中的局限性，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雜微環(huán)境中的局限性，采用具有更高生理相關性的器官芯片模型，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的局限性，引入模擬細胞外基質材料來構造組織／器官結構體模型，從而獲得工程化仿生結構，實現(xiàn)更加接近體內真實情況的藥物篩選。

相關論文“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