综述：生物3D打印药物的体外评价模型

来源：EngineeringForLife

据估计，一种新药从研发到投入使用需要 12 ～ 15 年，候选药物实际功效以及毒性的不可预知性造成了大约50%的研发失败，在前期巨大投入的基础上大约 23% 的候选药物在最后一步宣告失败。药物研发初期需要对候选化合物进行生物活性、毒性、代谢、药理作用及药用价值等一系列评估，从而初步淘汰部分候选药物，降低成本，缩短周期，提高研发效率。

然而，即便经历了耗时且昂贵的临床前筛选验证，后期临床试验的结果仍不理想。主要瓶颈在于缺乏准确的平台及模型来进行药物评估。传统二维细胞培养模型，动物模型以及异体移植模型难以再现人体生理特征，无法精准模拟临床反应，因而对候选药物性能的预测性差，并且动物实验耗时长花费高，实验开展受限。

体外三维药物筛选方法可以针对性解决这一系列问题。三维体外模型具有更高的生理相关性以及灵活性，有助于推进个性化精准医疗。生物3D打印的快速成型以及个性化定制能力使其被广泛应用于药物筛选相关模型和设备的构造。

目前关于生物3D打印这一技术与体外药物筛选这一领域的嫁接，缺乏一个系统性的归纳。近期EFL课题组将体外筛药方法归纳为三种类型，并进一步阐述了其与生物3D打印技术的有机结合。

图1 药物开发进程

1. 迷你组织-3D培养条件
【优势】基于迷你组织模型的体外药物筛选可以克服2Ｄ细胞培养模型的局限性，为细胞生长提供一个三维培养条件从而保持其形态和功能。
【局限性】然而迷你组织模型缺乏多尺度结构及组织器官界面，营养物质以及生物化学因子的施加缺乏精确控制以及梯度，无法模拟体内复杂生理微环境。

图2 迷你组织

2. 器官芯片-多重复杂微环境
【优势】基于器官芯片的体外药物筛选可以克服迷你组织的局限性，借助微流控手段实现生物分子的有效可控时空传送，借助灌注能力模拟人体血液流动，构造细胞动态培养环境，实现物质交换以及物理化学刺激加载。进一步结合模块化概念实现多器官系统的构建，研究不同器官之间的相互作用以及对候选药物的系统性响应。
【局限性】然而传统器官芯片的材质使其仅限于充当一个反应容器而无法模拟细胞外基质环境。

图3 器官芯片

3. 组织/器官结构体-仿生结构
【优势】通过引入模拟细胞外基质材料来实现载细胞结构构造，可以获得更加接近体内真实组织器官的仿生结构。这样的模型不仅可以作为一个反应容器，同时也可以充当一个工程化的组织器官结构体。进一步整合不同细胞以及基质材料，结合生物３D打印技术，可以实现个性化仿生生理病理模型的快速定制。
【局限性】细胞外基质材料机械性能较差，给成型精度，实验操作以及样品保存带来了挑战。

图4 组织/器官结构体

以肿瘤模型为例具体阐述生物3D打印技术在体外抗肿瘤药物筛选中的应用：
借助生物3D打印构造载细胞肿瘤结构，实现肿瘤细胞的三维培养，模拟体内微环境；
进一步模拟体内肿瘤形态，引入多种细胞类型，构造肿瘤球模型，重现体内环境梯度；
引入微流控系统作为血管模型，重现体内肿瘤转移，研究肿瘤－血管相互作用，测试抗血管新生药物；
整合肿瘤组织以及相关正常组织，评估抗肿瘤药物的毒副作用。

图5. 肿瘤相关模型

基于药物筛选方案的标准化以及个性化需求，生物３D打印技术展现出了巨大的潜力。不同种类的药物针对不同的组织/器官,同时单一药物在体内的试剂作用过程会涉及多种器官。不同类型模型的构造对工艺方法,材料,以及条件提出了不同的需求。

为了缓解体外筛药模型的迫切需求,将生物3D打印技术应用于分析设备的制造以及３D组织器官模型的构造。本文综述了体外筛药方法经历的三个阶段:迷你组织,器官芯片,和组织/器官结构体。首先为了克服2Ｄ细胞培养模型在预测药物反应中的局限性，采用迷你组织模型进行体外药物筛选，从而为细胞提供一个三维培养条件；进一步为了克服迷你组织模型在模拟复杂微环境中的局限性，采用具有更高生理相关性的器官芯片模型，从而重现多重生理微环境；最终为了解决器官芯片材质的局限性，引入模拟细胞外基质材料来构造组织／器官结构体模型，从而获得工程化仿生结构，实现更加接近体内真实情况的药物筛选。

相关论文“Grafting of 3D bioprinting to invitro drug screening: a review”已被Wiley杂志社的期刊Advanced Healthcare Materials在线刊登。聂晶博士生为第一作者，贺永教授为通讯作者。

论文链接：
https://doi.org/10.1002/adhm.201901773