3D 细胞培养与 AI 技术携手：开启下一代药物研发新征程

　　为解决传统二维（2D）细胞培养无法精准模拟人体组织微环境、预测药物疗效及毒性等问题，研究人员开展了 “Leveraging 3D cell culture and AI technologies for next-generation drug discovery” 主题研究。结果显示，三维（3D）细胞培养模型能更好模拟体内环境，AI 可优化 3D 细胞培养，二者结合对药物研发意义重大。

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　　在生物医药研究领域，传统的二维（2D）细胞培养长期占据重要地位，它就像一个简易的 “细胞工厂”，成本低廉、操作简便，为科研人员提供了大量基础数据。但随着研究的深入，人们逐渐发现这个 “工厂” 存在诸多缺陷。2D 细胞培养无法精准呈现细胞间复杂的相互作用、细胞外基质（ECM）的真实构成以及活体组织的三维结构，就好比搭建了一个简化版的建筑模型，缺少了许多关键的内部构造和细节。这使得在 2D 培养环境下评估药物的效率和安全性缺乏可信度，常常出现实验室结果与活体生物体内情况不相符的现象，导致许多药物在临床试验阶段折戟沉沙。

为了突破这些困境，印度 Indrashil 大学和印度理工学院甘地纳格尔分校的研究人员踏上了探索之旅，开展了 “Leveraging 3D cell culture and AI technologies for next-generation drug discovery” 这一研究。研究表明，三维（3D）细胞培养模型能显著改善现状，它如同一个精心打造的 “微观城市”，细胞在其中构建出与体内组织相似的结构，细胞间、细胞与 ECM 间的相互作用更接近真实情况，极大提升了药物研发的准确性。同时，人工智能（AI）技术的融入为 3D 细胞培养注入新活力，可实现自动化数据分析、优化培养条件等功能。该研究成果发表在《Cell Biomaterials》上，为生物医药研究和药物研发开辟了新方向。

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在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。在构建 3D 细胞模型方面，采用了多种技术手段，如通过悬挂滴液、液体覆盖、微流控等方法制备球体（Spheroids），利用干细胞或祖细胞培养类器官（Organoids），以及借助微流控设备搭建器官芯片（OOC）系统 。同时，借助生物打印、CRISPR-Cas9 基因编辑技术对细胞模型进行优化，利用先进的成像技术和合成生物材料助力研究。

研究结果如下：

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• 球体（Spheroids）：先进的细胞培养模型：球体作为 3D 细胞聚集体，可模拟体内组织的 3D 结构，为细胞提供更生理兼容的环境。它能用于研究肿瘤生物学、药物渗透和转移等多个领域。在癌症研究中，球体可重现 3D 肿瘤微环境，比 2D 培养更准确地预测药物对体内组织的影响，在药物筛选中发挥重要作用。此外，球体在毒理学、再生医学和干细胞研究中也有广泛应用 。
• 类器官（Organoids）技术的进展：模拟复杂组织：类器官由干细胞或祖细胞自组织形成，能复制真实器官的复杂结构和功能，在研究器官发育、疾病建模、药物发现和个性化医学等方面具有重要价值。通过对患者来源的类器官进行研究，可以模拟多种疾病，测试药物反应，为精准医疗提供依据。不过，类器官在血管化和多种细胞类型或组织层的复制方面存在挑战，培养技术也有待进一步标准化 。
• 生物医学研究中的 OOC 模型：OOC 技术借助微流控设备模拟人体器官的微观结构和生理过程，能精确输送营养物质、药物和生化信号，实时监测细胞反应。它可构建多器官模型，研究器官间的相互作用，在药物代谢研究、系统毒性评估和疾病机制探索方面发挥关键作用，为个性化医学提供有力支持 。
• 3D 细胞培养的独特方法：3D 细胞培养具有独特优势，能解决空间复杂性问题，实现多方向的细胞 - 细胞和细胞 - ECM 通信，模拟组织极化、分层和复杂结构的形态发生。同时，先进的多细胞相互作用模型可研究细胞内信号网络、旁分泌通信和生化梯度形成等现象。此外，实时机械刺激方法和生化力梯度的整合，使 3D 细胞培养能更好地模拟体内生理条件，这些是 2D 培养无法比拟的 。
• 3D 细胞模型开发的最新技术：生物打印可精确构建复杂组织架构，无支架生物打印提高了生理相关性；CRISPR-Cas9 基因编辑技术可用于研究基因功能和疾病途径；先进的成像技术能准确探测和表征 3D 细胞模型；合成生物材料为 3D 细胞培养提供支持，促进组织发育和功能实现 。
• AI 在 3D 细胞培养中的作用：AI 在 3D 细胞培养中发挥着重要作用，可改进数据分析，自动处理和分析成像数据，提高图像分辨率。同时，AI 能优化培养条件，预测药物反应，加速药物筛选过程。此外，AI 还可用于设备的预测性维护和细胞培养的质量控制，提升实验的可靠性和重复性 。

研究结论与讨论部分指出，3D 细胞模型比传统 2D 细胞培养具有更高的生理相关性，能更准确地模拟人体组织的结构和微环境，在疾病建模、药物测试和治疗反应预测方面更具优势。OOC 技术有望成为研究器官功能和相互作用的有力工具，球体和类器官则为细胞 - 细胞和细胞 - 基质相互作用研究提供新视角。尽管 3D 细胞模型取得了显著进展，但在标准化、可重复性和高通量筛选方面仍面临挑战，应用这些技术也面临资源密集和复杂的问题。不过，随着生物材料、微加工技术和计算建模的不断进步，这些问题有望得到解决。3D 细胞模型在生物应用和药物开发领域具有巨大潜力，有望推动更安全、高效药物的研发，改善患者治疗效果，加深我们对复杂生物过程的理解。综上所述，该研究成果意义重大，为生物医药领域的发展提供了重要的理论和实践基础，有望推动整个行业迈向新的高度。

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