基于3D细胞培养的新药研发服务

背景^[1-7]

基于3D细胞培养的新药研发服务通过悬挂淤液滴法、超低U型底平板法以及磁悬浮法等多种技术手段建立个性化定制的3D细胞培养模型，可以采用的细胞类型包括各类可稳定培养的细胞系和原代细胞，选择范围广泛，组合方式多样，能够满足的各种新药研发需求。

在药物研发过程中所用到的细胞模型多为2D培养的单层细胞，因为其易培养、成本低、培养周期短、可以快速应用于实验中。然而单层细胞也有其局限性，如缺乏细胞外基质成分，不能形成营养成分/药物浓度梯度，细胞间的接触只局限于一个面，不能有效模拟在体细胞的行为，尤其是细胞的耐药性。3D细胞培养模型则能很好地模拟在体细胞微环境及细胞间接触和相互作用，营养成分和药物都需要渗透至内层细胞，会形成相应的浓度梯度，实验得到的结果也更加可靠，预测性更强。

3D培养还可以通过将多种细胞共培养，建立更合理和可靠的模型来模拟在体细胞微环境。与2D培养的单层细胞模型相比，3D细胞模型可以表现出与类似于体内条件下的耐药性。实验结果更具参考价值。与传统的静态接种和培养方法相比,动态接种和灌流培养中细胞悬液直接通过支架的孔,对于不同组成、孔结构和孔隙率的支架都可以更方便的使营养物质和气体通过。因此,动态接种和灌流培养在细胞生长和存活方面更有优势,利用这种方式三维培养的细胞与药物之间的作用更能反映药物在体内作用的真实情况。

目前,已经有许多种类的填充床细胞反应器被用于细胞的动态接种和灌流培养,特别是被用于肝细胞高密度培养。这些反应器与静态细胞接种和培养方法相比,在细胞粘附、分布、长时间存活和各种类型的细胞功能等方面已经显示出无可比拟的优势。然而,目前所报道的大多数填充床细胞反应器由于不能提供细胞生长的必须环境,而依赖于二氧化碳培养箱,这就限制了它们的使用。

服务包括：

1.高通量毒性筛选试验：利用3D培养的细胞模型进行大规模的药物毒性筛选，可同时筛选多种化合物的多种不同浓度。

2.高内涵毒性筛选试验：在3D培养的细胞模型上运用先进的高内涵影像分析技术同时评估药物对细胞多个方面的影响。

3.ATP含量检测：采用3D培养的细胞模型，给出待测药物的IC50值、最低有效浓度以及相关毒性分析报告。

4.肝毒性检测：有多种种属（人、狗、大鼠等）的肝细胞3D培养模型可供选择，可以检测待测药物的肝脏毒性。

5.心脏毒性检测：利用3D培养的心肌细胞微组织，通过监测心肌组织的电活动变化进行药物心脏毒性的评估，实验结果有极强的参考价值。

应用^[8][9]

基于3D细胞培养的新药研发服务可用于新开发药物的药效学和药代学研究：

统的体外细胞试验是利用二维培养的细胞,缺乏细胞原有组织的三维微环境,缺乏细胞生长的基质,也缺乏细胞生长的支架,细胞在二维条件下丧失了许多组织学相关的功能,不能表达其在体内条件下的许多特性。因此,二维细胞培养不能模拟细胞在体内生长的微环境,在药物功效预测方面准确度不高。

不同于传统的二维细胞培养,三维细胞培养是将具有三维结构的载体与细胞在体外共培养,程度地模拟体内微环境,使细胞能够在载体的三维空间结构中生长、迁移、分化,产生一定的三维组织特异性结构,具有细胞培养直观性和条件可控性的优势,填补了二维细胞培养和动物实验的鸿沟,有非常大的发展潜力。由于传质的局限性,三维培养可得到不同表型的细胞,如增殖、非增殖和坏死细胞。

在三维培养时癌细胞的异质性与完整实体瘤的多重表型相似,而这比二维培养时癌细胞的同质性更真实。三维培养的细胞在形状和环境上与体内条件更为相似,而细胞的形状和环境决定细胞的行为和基因表达。因此,三维细胞培养可以更真实地模拟体内细胞生长的三维微环境,细胞在三维条件下的响应更能代表其在体内条件下的响应,基于三维细胞的药物筛选方法将会是更有效的筛选方法。

参考文献

[1]Developing multi-cellular tumor spheroid model(MCTS)in the chitosan/Collagen/alginate(CCA)fibrous scaffold for anticancer drug screening[J].Jian-Zheng Wang,Yu-Xia Zhu,Hui-Chao Ma,Si-Nan Chen,Ji-Ye Chao,Wen-Ding Ruan,Duo Wang,Feng-guang Du,Yue-Zhong Meng.Materials Science&Engineering C.2016

[2]Tissue engineering the cardiac microenvironment:Multicellular microphysiological systems for drug screening[J].Yosuke K.Kurokawa,Steven C.George.Advanced Drug Delivery Reviews.2015

[3]MYC/PGC-1αBalance Determines the Metabolic Phenotype and Plasticity of Pancreatic Cancer Stem Cells[J].Patricia Sancho,Emma Burgos-Ramos,Alejandra Tavera,Tony Bou Kheir,Petra Jagust,Matthieu Schoenhals,David Barneda,Katherine Sellers,Ramon Campos-Olivas,Osvaldo Gra?a,Catarina R.Viera,Mariia Yuneva,Bruno Sainz,Christopher Heeschen.Cell Metabolism.2015(4)

[4]A 3D in vitro model of differentiated HepG2 cell spheroids with improved liver-like properties for repeated dose high-throughput toxicity studies[J].Sreenivasa C.Ramaiahgari,Michiel W.Braver,Bram Herpers,Valeska Terpstra,Jan N.M.Commandeur,Bob Water,Leo S.Price.Archives of Toxicology.2014(5)

[5]Perfusion enhanced polydimethylsiloxane based scaffold cell culturing system for multi‐well drug screening platform[J].Marshella Tania,Myat Noe Hsu,Si Ning Png,Hwa Liang Leo,Guoyang William Toh,Erik Birgersson.Biotechnol Progress.2014(2)

[6]Hepatic 3D cultures but not 2D cultures preserve specific transporter activity for acetaminophen-induced hepatotoxicity[J].L.Schyschka,J.J.Martínez Sánchez,Z.Wang,B.Burkhardt,U.Müller-Vieira,K.Zeilinger,A.Bachmann,S.Nadalin,G.Damm,A.K.Nussler.Archives of Toxicology.2013(8)

[7]Rapid Characterization of a Novel Taspine Derivative-HMQ1611 Binding to EGFR by a Cell Membrane Chromatography Method[J].Hui Du,Nan Lv,Sicen Wang,Langchong He.Combinatorial Chemistry&High Throughput Screening.2013(4)

[8]A long-term three dimensional liver co-culture system for improved prediction of clinically relevant drug-induced hepatotoxicity[J].Radina Kostadinova,Franziska Boess,Dawn Applegate,Laura Suter,Thomas Weiser,Thomas Singer,Brian Naughton,Adrian Roth.Toxicology and Applied Pharmacology.2013(1)

[9]侯晓蓉,郭倩,杨佳佳,单伟光.基于3D细胞水平的药物筛选模型[J].发酵科技通讯,2018,47(01):52-57.