一、3D細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)的革新背景與優(yōu)勢(shì)

1. 2D培養(yǎng)的局限性

- 生理環(huán)境缺失：2D單層培養(yǎng)無法模擬細(xì)胞-細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）相互作用、組織三維結(jié)構(gòu)及營養(yǎng)/氧氣梯度，導(dǎo)致藥物測(cè)試結(jié)果與體內(nèi)差異顯著。

- 功能模型缺陷：缺乏細(xì)胞異質(zhì)性和組織特異性功能（如代謝、分化），無法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)藥物毒性和療效。

2. 3D培養(yǎng)的核心價(jià)值

- 生理相關(guān)性提升：通過類球體、類器官、器官芯片（OOC）等模型，模擬體內(nèi)組織微環(huán)境，優(yōu)化藥代動(dòng)力學(xué)（PK）和藥效學(xué)（PD）預(yù)測(cè)。

- 藥物開發(fā)效率優(yōu)化：減少臨床前研究的 attrition 率（因模型誤差導(dǎo)致的藥物失?。?，加速靶向療法開發(fā)。

二、3D細(xì)胞模型的類型、制備與應(yīng)用

1. 類球體（Spheroids）

- 結(jié)構(gòu)與機(jī)制：由干細(xì)胞、癌細(xì)胞等聚集形成三維細(xì)胞團(tuán)，模擬腫瘤微環(huán)境中的氧氣/營養(yǎng)梯度及細(xì)胞-ECM互作。

- 制備方法

- 懸滴法：細(xì)胞懸液在培養(yǎng)皿蓋倒置形成液滴，重力作用下聚集成球，操作簡(jiǎn)單但規(guī)模有限。

- 微流控技術(shù)：通過微通道控制細(xì)胞聚集，精準(zhǔn)調(diào)控球體尺寸和微環(huán)境。

- 磁懸浮法：磁性納米顆粒引導(dǎo)細(xì)胞在磁場(chǎng)中聚集，適合快速制備但需評(píng)估納米顆粒毒性。

- 應(yīng)用場(chǎng)景

- 癌癥研究：模擬腫瘤侵襲、耐藥機(jī)制及藥物滲透（如抗血管生成藥物測(cè)試）。 - 毒理學(xué)：評(píng)估化學(xué)物質(zhì)對(duì)多細(xì)胞組織的毒性（如肝臟 spheroids 模擬藥物肝損傷）。

- 局限性：尺寸不均一、標(biāo)準(zhǔn)化困難，缺乏復(fù)雜組織層級(jí)。

2. 類器官（Organoids）

- 結(jié)構(gòu)與機(jī)制：干細(xì)胞自組織形成的器官樣結(jié)構(gòu)，復(fù)制器官的細(xì)胞組成、空間架構(gòu)及功能（如腸、腦、肝臟）。

- 制備技術(shù)

- iPSC誘導(dǎo)：從誘導(dǎo)多能干細(xì)胞分化，通過生長(zhǎng)因子（如Wnt、R-spondin）和Matrigel基質(zhì)引導(dǎo)器官發(fā)生。

- 共培養(yǎng)系統(tǒng)：整合多種細(xì)胞類型（如內(nèi)皮細(xì)胞、免疫細(xì)胞），構(gòu)建更真實(shí)的組織微環(huán)境。Kirkstall Quasi Vivo 3D 多細(xì)胞仿生共培養(yǎng)系統(tǒng)，作為類器官培養(yǎng)領(lǐng)域的前沿技術(shù)代表，為科研工作者提供了一個(gè)高度仿生的體外研究平臺(tái)。

- 應(yīng)用場(chǎng)景

- 疾病建模：患者來源的類器官（如結(jié)直腸癌、囊性纖維化）用于研究致病機(jī)制和基因編輯治療。

- 精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)：基于患者類器官的藥物敏感性測(cè)試，指導(dǎo)個(gè)體化化療方案。

- 挑戰(zhàn)：培養(yǎng)周期長(zhǎng)、批次間差異大，缺乏血管化和神經(jīng)/免疫系統(tǒng)整合。

3. 器官芯片（Organ-on-a-Chip, OOC）

- 技術(shù)原理：微流控設(shè)備模擬器官生理環(huán)境，整合細(xì)胞、ECM及動(dòng)態(tài)刺激（如流體剪切力、機(jī)械拉伸），支持實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

- 核心應(yīng)用

- 肝臟芯片：模擬藥物代謝和肝毒性（如乙酰氨基酚誘導(dǎo)的肝損傷）。

- 多器官芯片：連接肝臟、腎臟等芯片，研究藥物全身代謝和器官間相互作用。Kirkstall Quasi Vivo 3D 多細(xì)胞/類器官串聯(lián)芯片動(dòng)態(tài)培養(yǎng)系統(tǒng)，作為類器官培養(yǎng)領(lǐng)域的前沿技術(shù)代表，為科研工作者提供了一個(gè)高度仿生的體外研究平臺(tái)。

- 技術(shù)優(yōu)勢(shì)：可重復(fù)性高、樣本量少，減少動(dòng)物實(shí)驗(yàn)需求。

三、3D細(xì)胞培養(yǎng)的關(guān)鍵技術(shù)與AI整合

1. 生物工程技術(shù)革新

- 3D生物打?。褐饘映练e細(xì)胞、生物材料和生長(zhǎng)因子，構(gòu)建血管化組織（如心臟瓣膜）。

- CRISPR-Cas9基因編輯：在類器官中引入疾病相關(guān)突變（如阿爾茨海默病APP基因），研究病理機(jī)制。

- 先進(jìn)成像技術(shù)：光片熒光顯微鏡實(shí)現(xiàn)3D組織動(dòng)態(tài)成像，單細(xì)胞測(cè)序解析異質(zhì)性。

2. AI在3D培養(yǎng)中的核心作用

- 數(shù)據(jù)自動(dòng)化分析：卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）分割3D圖像，識(shí)別細(xì)胞形態(tài)和組織層級(jí)（如腫瘤球體壞死區(qū)域）。 循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN）分析時(shí)間序列數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)細(xì)胞分化軌跡。

- 培養(yǎng)條件優(yōu)化：機(jī)器學(xué)習(xí)模型基于歷史數(shù)據(jù)優(yōu)化營養(yǎng)濃度、pH值，減少試錯(cuò)成本（如貝葉斯優(yōu)化算法）。

- 藥物篩選加速 ：高通量分析化合物庫對(duì)3D模型的影響，預(yù)測(cè)IC50和毒性閾值。

- 質(zhì)量控制與預(yù)測(cè)維護(hù)：AI驅(qū)動(dòng)傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)細(xì)胞活力，預(yù)警污染或培養(yǎng)異常。

四、當(dāng)前挑戰(zhàn)與未來技術(shù)方向

1. 現(xiàn)存挑戰(zhàn)

- 成本與規(guī)?；?D培養(yǎng)耗材（如Matrigel）和設(shè)備（生物反應(yīng)器）成本高，限制高通量篩選。

- 成像瓶頸：3D結(jié)構(gòu)需多層掃描（Z-stack），高分辨率顯微鏡耗時(shí)且數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求大。

- 生理復(fù)雜性缺失：大尺寸組織模型缺乏血管系統(tǒng)，限制氧氣和營養(yǎng)擴(kuò)散。

2. 未來技術(shù)展望

- 血管化模型構(gòu)建：生物打印結(jié)合內(nèi)皮細(xì)胞形成功能性血管網(wǎng)絡(luò)。

- 免疫兼容模型：整合免疫細(xì)胞（如T細(xì)胞）到類器官中，研究腫瘤免疫治療響應(yīng)。

- AI與多組學(xué)整合：融合基因組、蛋白組數(shù)據(jù)到3D模型，構(gòu)建精準(zhǔn)疾病預(yù)測(cè)模型。

五、3D細(xì)胞模型在藥物研發(fā)中的具體應(yīng)用案例

1. 癌癥研究： 乳腺癌類器官用于篩選靶向PI3K抑制劑，預(yù)測(cè)患者對(duì)Alpelisib的響應(yīng)。 膠質(zhì)母細(xì)胞瘤類球體研究化療藥物（替莫唑胺）滲透效率，優(yōu)化給藥方案。

2. 神經(jīng)疾病建模： 腦類器官模擬自閉癥譜系障礙（如SHANK3基因突變），研究神經(jīng)元連接異常。 - 阿爾茨海默病類器官中Aβ蛋白沉積模型，測(cè)試抗體藥物（如Aducanumab）清除效果。

3. 傳染病研究：腸道類器官研究新冠病毒（SARS-CoV-2）感染機(jī)制，篩選抗病物（如Remdesivir）。

參考文獻(xiàn)：cell Biomaterials 1, 100050, April 22, 2025 a 2025 The Author(s). Published by Elsevier Inc.

六、結(jié)論與行業(yè)影響，展望Kirkstall Quasi Vivo 3D 類器官串聯(lián)芯片動(dòng)態(tài)培養(yǎng)系統(tǒng)

3D細(xì)胞培養(yǎng)與AI的結(jié)合推動(dòng)藥物研發(fā)從“二維經(jīng)驗(yàn)驅(qū)動(dòng)”向“三維精準(zhǔn)預(yù)測(cè)”轉(zhuǎn)型

- 科學(xué)價(jià)值：彌合體外實(shí)驗(yàn)與臨床結(jié)果的差距，提升疾病機(jī)制理解（如腫瘤微環(huán)境異質(zhì)性）。

- 產(chǎn)業(yè)影響：縮短藥物開發(fā)周期（臨床前階段可縮短30%時(shí)間），降低研發(fā)成本（動(dòng)物實(shí)驗(yàn)需求減少50%）。

- 未來趨勢(shì)：標(biāo)準(zhǔn)化3D模型庫（如NIH的Organoid Initiative）和AI驅(qū)動(dòng)的虛擬篩選將成為新藥研發(fā)核心工具。

Kirkstall Quasi Vivo 3D 類器官串聯(lián)芯片動(dòng)態(tài)培養(yǎng)系統(tǒng)，作為類器官培養(yǎng)領(lǐng)域的前沿技術(shù)代表，為科研工作者提供了一個(gè)高度仿生的體外研究平臺(tái)，其未來發(fā)展充滿無限潛力，有望在多個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域掀起變革浪潮。

在藥物研發(fā)進(jìn)程中，該系統(tǒng)將扮演愈發(fā)關(guān)鍵的角色。一方面，它能夠模擬藥物在人體多器官中的吸收、分布、代謝和排泄（ADME）全過程，精準(zhǔn)評(píng)估藥物的療效與安全性，大幅提升新藥研發(fā)的成功率，縮短研發(fā)周期。

舉例來說，在研究一款新的抗癌藥物時(shí)，通過串聯(lián)肝癌、肺癌等多種腫瘤類器官芯片，觀察藥物對(duì)不同腫瘤細(xì)胞的作用效果，以及藥物在不同器官間的代謝轉(zhuǎn)化，從而更全面地了解藥物的特性。另一方面，對(duì)于藥物在不同器官間的相互作用研究，該系統(tǒng)提供了的便利。以往因技術(shù)限制，難以深入探究肝臟代謝后的藥物如何影響心臟等其他器官，而 Kirkstall Quasi Vivo 系統(tǒng)的出現(xiàn)，使得這類研究得以順利開展，為臨床聯(lián)合用藥提供堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)。

疾病研究領(lǐng)域，Kirkstall Quasi Vivo 系統(tǒng)可構(gòu)建出更復(fù)雜、更貼近真實(shí)情況的多器官疾病模型。以糖尿病并發(fā)癥研究為例，將胰島類器官與腎臟、心血管類器官串聯(lián)培養(yǎng)，模擬糖尿病患者胰島功能受損后，對(duì)腎臟和心血管系統(tǒng)的連鎖影響，深入剖析疾病發(fā)生發(fā)展的分子機(jī)制，為開發(fā)針對(duì)性的治療方案奠定基礎(chǔ)。同時(shí)，利用患者特異性細(xì)胞構(gòu)建個(gè)性化多器官芯片模型，能夠預(yù)測(cè)藥物對(duì)個(gè)體的療效，真正實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)醫(yī)療，提高治療效果，減少不必要的醫(yī)療資源浪費(fèi)。

在再生醫(yī)學(xué)與組織工程范疇，該系統(tǒng)助力研究不同器官間的相互作用，如血管與器官的協(xié)同關(guān)系，為組織工程和開辟新思路。通過模擬體內(nèi)環(huán)境，優(yōu)化生物材料在多器官系統(tǒng)中的應(yīng)用，促進(jìn)器官的再生與修復(fù)。比如在構(gòu)建人工肝臟組織時(shí)，利用該系統(tǒng)模擬肝臟微環(huán)境，使培養(yǎng)出的肝臟類器官具備更好的功能和活性，為肝臟移植提供更多可能。

此外，隨著技術(shù)的持續(xù)迭代升級(jí)，Kirkstall Quasi Vivo 類器官串聯(lián)芯片動(dòng)態(tài)培養(yǎng)系統(tǒng)有望在食品安全評(píng)估、環(huán)境毒理學(xué)研究等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，評(píng)估食品添加劑、環(huán)境污染物等對(duì)人體多器官的潛在影響，守護(hù)公眾健康與生態(tài)環(huán)境。

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