撰文丨王聪
编辑丨王多鱼
排版丨水成文
从二维（2D）细胞模型向三维（3D）细胞模型的转变，是生物医学研究中的一个关键进步。像球状体、类器官和器官芯片系统这样的 3D 细胞模型提供了更符合生理条件的环境，从而提高了药物疗效、毒性和疾病机制预测的准确性。
关键技术突破包括 3D 生物打印、微流控系统、先进成像、人工智能（AI）驱动的分析以及合成生物学的整合，这提高了 3D 细胞模型的可扩展性和准确性。这些创新促进了个性化医疗、再生疗法以及高效药物筛选的发展。3D 细胞模型有望通过患者特异性药物测试、减少对动物的依赖以及加快靶向疗法的开发来彻底改变医疗保健，最终改变临床实践并改善患者预后。
近日，Cell 新子刊Cell Biomaterials发表了题为：Leveraging 3D cell culture and AI technologies for next-generation drug discovery 的综述论文。该综述系统性介绍了将 3D 细胞培养和人工智能技术应用于下一代药物发现。
三维（3D）细胞培养模型的引入是药物开发领域的一次重大变革，与传统的二维（2D）单层培养相比，它提供了更为先进的替代方案。与无法模拟真实组织复杂细胞微环境的 2D 模型相比，3D 细胞培养更符合生理学特征，还能更精确地预测药物动力学和药效学。
3D 细胞培养这项新技术解决了 2D 培养中存在的部分突出局限性——细胞间以及细胞与细胞外基质（ECM）之间的相互作用缺陷，这些相互作用对于维持细胞内稳态、分化和组织特异性功能十分重要。因此，3D 细胞培养技术通过提供体内组织结构和代谢梯度的计算布局，在候选化合物的筛选方面提供了更好、更可靠的输出，降低了药物研发过程中的损耗率。
此外，3D 细胞模型在精准医疗领域展现出巨大的应用潜力，能够实现针对患者的药物测试和个性化治疗方案。这种观点强调了 3D 细胞培养方法的变革潜力，这些技术对于提高药物发现过程中的预测准确性和效率具有重大意义，这一点至关重要。3D 细胞模型还在促进生物医学研究方面也发挥着重要作用。另一个重要的研究领域是治疗创新，这些技术突破对治疗创新做出了巨大贡献。
生物医学研究中的2D和3D细胞培养
生物医学研究中用不同方法形成的球状体
用于生物医学研究的器官芯片装置
在生物医学研究中3D细胞建模的关键技术
人工智能在3D细胞培养中的作用和益处
3D细胞模型在药物发现和生物医学研究中的应用
与传统的 2D 细胞培养相比，3D 细胞模型具有更高的生理相关性，这彻底改变了整个药物开发和医学应用领域，在研究过程中具有诸多优势。这类模型包括器官芯片、球状体和类器官。它们能够复制人体组织的结构和微环境，因此与疾病建模、测试和治疗反应相关的数据更加准确和可预测。预计凭借能够构建精确的细胞微环境和进行实时细胞反应测量的能力，器官芯片技术将成为研究器官级功能和相互作用的强大工具。另一方面，球状体和类器官为细胞间以及细胞与基质间的相互作用提供了重要的新视角，从而使得组织形成、癌症生物学和再生医学研究成为可能。这些模型已展现出弥合体外研究与体内研究结果之间差距的潜力，因此能够增强临床前研究的转化相关性。尽管取得了这些显著进展，但这些模型的标准化和可重复性，或者将其纳入高通量筛选系统，仍然非常困难。应用这些技术的努力本质上也是资源密集型和复杂的，因此通常无法广泛使用。然而，通过生物材料、微制造技术和计算建模方面的进步，这些局限性可以得到解决，从而增强 3D 细胞模型在生物医学研究中的实用性。在生物应用和药物开发方面，3D 细胞模型被认为是极具创新性的方法之一。它们的生理机能几乎完全仿照人类，其在促进更安全、更有效的药物研发，从而改善患者治疗效果以及增进我们对复杂生物过程的理解方面具有巨大潜力。
从 2D 细胞培养向 3D 细胞培养的转变代表了生物医学研究中的范式转变。通过提供更准确的生理模型，3D 细胞培养增强了我们对疾病机制和药物相互作用的理解。尽管仍存在挑战，但人工智能、生物工程和微流体技术的持续创新有望推动 3D 细胞模型的未来发展，确保其在研究和临床应用中的广泛接受。
随着这些进步的不断推进，3D 细胞模型将彻底改变个性化医疗，为更有效和更具针对性的治疗干预措施铺平道路。
论文链接：
https://www.cell.com/cell-biomaterials/fulltext/S3050-5623(25)00041-8
