3D細胞培養(yǎng)用于藥代動力學研究和藥物安全性評估
- 作者: 基爾比生物科技
- 來源: 公眾號“基爾比”
- 日期 : 2024-02-18
傳統(tǒng)制藥行業(yè)使用重組酶、肝微粒體和二維（2D）細胞培養(yǎng)物（如原代肝細胞和人結(jié)直腸癌細胞）對藥物進行體外檢測，以分析藥物的吸收、分布、代謝和排泄（ADME）特性和進行藥物安全性評估。然而，2D細胞培養(yǎng)難以模擬器官的生理環(huán)境，因此很難直接將體外測定數(shù)據(jù)外推到復雜的體內(nèi)。如今，三維（3D）細胞培養(yǎng)系統(tǒng)迅速發(fā)展，從簡單的球狀體到復雜的器官芯片，從單細胞型靜態(tài)3D模型到配備微流控的細胞共培養(yǎng)3D模型（圖1)。與 2D 細胞培養(yǎng)模型相比，3D細胞培養(yǎng)模型能夠更好地模擬細胞生理和/或病理條件下所處的微環(huán)境，在評估藥代動力學（PK）方面具有更大的潛力。3D細胞培養(yǎng)模型可以對低清除率藥物和多次給藥進行藥物安全性評估、收集PK數(shù)據(jù)和關(guān)鍵生物標志物以及利用患者來源細胞進行疾病建模。
患者來源的腫瘤類器官（PDTO）是3D多細胞自組裝結(jié)構(gòu)，可以反映患者來源的組織和表型異質(zhì)性。此外，PDTO可以擴展生物樣本庫，使其成為一種有效的藥物篩選模型。也有研究表明，PDTO能夠預測患者的藥物反應。這些研究為使用PDTO作為精準醫(yī)療工具鋪平了道路。
盡管PDTO模型令人興奮，但它并非沒有局限性。傳統(tǒng)的PDTO培養(yǎng)方法通常選擇上皮細胞，在培養(yǎng)物中多次傳代后的基質(zhì)細胞殘留極少，而微環(huán)境中細胞與上皮癌細胞與之間的作用會顯著影響腫瘤生長和藥物反應。因此，某些類別藥物無法用缺乏完整微環(huán)境的傳統(tǒng)類器官模型進行測試。目前正在開發(fā)新的方法，例如氣液界面系統(tǒng)，以支持類器官培養(yǎng)中的基質(zhì)細胞（包括免疫細胞、成纖維細胞和內(nèi)皮細胞等）的多樣性。
影響藥物篩選的另一個重要因素是患者間類器官的異質(zhì)性，包括大小差異、細胞異質(zhì)性等。大多數(shù)PDTO藥物都是使用ATP測定作為細胞生化活力讀數(shù)，但目前也在研究基于成像的方法，以解釋細胞對藥物反應的復雜性。共聚焦活細胞成像與數(shù)據(jù)分析技術(shù)相結(jié)合，可以捕獲大量參數(shù)，這些參數(shù)可用于確定PDTO中的細胞行為和藥物療效。
3D細胞培養(yǎng)模型在臨床前藥物測試中仍有很多工作要做，以提高標準化和可重復性，最終得到廣泛采用。
圖1開發(fā)3D 細胞培養(yǎng)系統(tǒng)的總體方案
注：開發(fā)3D細胞培養(yǎng)系統(tǒng)來模擬體內(nèi)生理器官，以評估藥物的吸收、分布、代謝和排泄以及免疫反應。最佳目標是將這些器官特異性3D模型集成到一個或多個相互連接的微生理系統(tǒng)中，從而可以評估不同給藥途徑的藥物藥代動力學，改進藥物安全性和有效性評估以及進行疾病建模。
藥物研發(fā)和毒理學研究的主要局限性之一是在單層細胞水平或體內(nèi)動物與人類系統(tǒng)之間缺乏可靠的模型系統(tǒng)。對于神經(jīng)退行性疾病尤其如此，例如肌萎縮側(cè)索硬化癥（ALS）和阿爾茨海默?。?/span>AD）以及許多罕見疾病。此外，許多行業(yè)禁止利用動物進行毒理學測試，而3D細胞培養(yǎng)模型可用人類模擬物代替動物進行產(chǎn)品開發(fā)和安全測試。3D細胞培養(yǎng)模型的研究重點是建立功能性體外系統(tǒng)，通過創(chuàng)建器官和子系統(tǒng)來模擬運動控制、肌肉功能、髓鞘形成和認知功能，以及心臟和肝臟子系統(tǒng)，將微系統(tǒng)制造技術(shù)與蛋白質(zhì)和細胞因子的表面修飾作用相結(jié)合，啟動和維持細胞生長和自組裝成多組分系統(tǒng)，如創(chuàng)建功能性人類神經(jīng)肌肉接頭（NMJ）系統(tǒng)來理解ALS（圖2)。
圖2 肌萎縮側(cè)索硬化癥（ALS）的功能性神經(jīng)肌肉接頭（NMJ）模型
注：將 ALS 患者的誘導多能干細胞（iPSC）分化的運動神經(jīng)元（MN）引入NMJ 系統(tǒng)，并與來自健康受試者的原代成肌細胞共培養(yǎng)以促進 NMJ 形成。通過記錄肌纖維收縮（在電刺激MN的同時檢測功能性NMJ。
人類腫瘤的復雜性對藥物發(fā)現(xiàn)和藥物療效相關(guān)離體模型提出了更高的要求。盡管使用2D單層細胞培養(yǎng)物進行癌癥藥物篩選取得了一定的進展，但傳統(tǒng)的癌癥模型和細胞毒性測量是否能準確捕捉患者對藥物反應的異質(zhì)性仍然存在疑問。開發(fā)能夠更接近腫瘤細胞和微環(huán)境異質(zhì)性的模型有助于將藥物的臨床前發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化為臨床應用。患者來源的腫瘤類器官（PDTO）是3D多細胞自組裝結(jié)構(gòu)，可以反映患者來源的組織和表型異質(zhì)性。此外，PDTO可以擴展生物樣本庫，使其成為一種有效的藥物篩選模型。也有研究表明，PDTO能夠預測患者的藥物反應。這些研究為使用PDTO作為精準醫(yī)療工具鋪平了道路。
盡管PDTO模型令人興奮，但它并非沒有局限性。傳統(tǒng)的PDTO培養(yǎng)方法通常選擇上皮細胞，在培養(yǎng)物中多次傳代后的基質(zhì)細胞殘留極少，而微環(huán)境中細胞與上皮癌細胞與之間的作用會顯著影響腫瘤生長和藥物反應。因此，某些類別藥物無法用缺乏完整微環(huán)境的傳統(tǒng)類器官模型進行測試。目前正在開發(fā)新的方法，例如氣液界面系統(tǒng)，以支持類器官培養(yǎng)中的基質(zhì)細胞（包括免疫細胞、成纖維細胞和內(nèi)皮細胞等）的多樣性。
影響藥物篩選的另一個重要因素是患者間類器官的異質(zhì)性，包括大小差異、細胞異質(zhì)性等。大多數(shù)PDTO藥物都是使用ATP測定作為細胞生化活力讀數(shù)，但目前也在研究基于成像的方法，以解釋細胞對藥物反應的復雜性。共聚焦活細胞成像與數(shù)據(jù)分析技術(shù)相結(jié)合，可以捕獲大量參數(shù)，這些參數(shù)可用于確定PDTO中的細胞行為和藥物療效。
3D細胞培養(yǎng)模型在臨床前藥物測試中仍有很多工作要做，以提高標準化和可重復性，最終得到廣泛采用。