疾病建模
使用 3D 细胞结构来模拟肿瘤、器官和组织，从而加速转化研究
什么是疾病建模？
疾病建模是生物医学研究的一个基本方面，包括代表性系统的创建，这些系统可模拟受控环境中的疾病行为。这些模型可帮助研究人员深入了解疾病的潜在机制，测试潜在疗法的有效性，并最终为改善患者护理铺平道路。
疾病模型系统的复杂性和规模从简单的 2D 细胞培养到复杂的模式生物不等。虽然模式生物可提供体内环境，但它们通常成本高昂，且可能无法代表人类生物学。另一方面，虽然传统的 2D 细胞培养系统已使用多年，但它们在表示活组织中发现的复杂三维结构和细胞相互作用方面存在局限性。因此，3D 细胞培养已成为一种极具吸引力的疾病建模系统。
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利用 3D 细胞模型研究人类疾病
3D 细胞模型概括了体内组织和器官复杂性的关键方面，这使其适用于研究人类疾病。除了比模式生物更具实验易处理性外，3D 模型还可以源自人体细胞，这使得它们与正在研究的人类疾病高度相关。例如，源自诱导性多能干细胞 (iPSC) 的 3D 脑类器官可用于研究阿尔茨海默氏症和帕金森氏症等神经退行性疾病，类心脏或心脏类器官可用于研究心力衰竭等心血管疾病，而源自肿瘤活检的患者源性类器官 (PDO) 则可作为肿瘤学研究的模型，用于了解患者特异性药物反应并提供更有效的治疗选择。
用于疾病研究和药物发现的患者源性类器官
许多肿瘤药物未能通过药物开发过程的后续阶段和临床试验，尽管这些药物的体外疗效数据充满前景。这种高失败率部分归因于在药物发现早期缺乏用于筛选候选药物的预测模型。因此，需要开发和利用更具代表性的模型，这些模型可修改以实现高效化合物检测，从而发现新的治疗靶标。
3D 细胞模型，特别是患者源性类器官 (PDO)，为这一问题提供了有前景的解决方案。3D 培养细胞可以更好地模拟细胞间相互作用和组织微环境，包括癌症干细胞巢。研究表明，患者及其衍生类器官对药物的反应相似，这说明了使用 PDO 来改善治疗结果的治疗价值。然而，检测可重复性、可扩展性和成本等挑战限制了 PDO 在主流药物发现过程中的使用。
在这里，我们展示了我们的特色患者源性癌症类器官研究。我们的结果表明，使用自动化与高内涵成像和人工智能 (AI) 数据分析时，PDO 在精准医学和高通量药物发现应用中较其他组织具有更大的潜力。
乳腺癌患者源性肿瘤类器官
三阴性乳腺癌是一种临床侵袭性肿瘤亚型，转移率、复发率和耐药率均较高。目前尚无临床上批准可用于该疾病的小分子靶向疗法，这强调了发现新治疗靶标的迫切需求。原发肿瘤源性模型可概括肿瘤异质性和形态，以及复杂的遗传和分子组成，从而加速药物开发和药物检测。在本研究中，我们描述了成像和细胞培养方法的自动化，这种自动化能够扩大复杂 3D 细胞检测的规模。
结直肠癌 (CRC) 患者源性类器官
在这张海报中，我们展示了其在使用结直肠癌 (CRC) PDO 的高通量应用中的实用性。用各种浓度的选定抗癌药物处理后，使用透射光成像随时间推移监测 PDO，并开发基于深度学习的图像分割模型来分析 PDO 大小、纹理、密度以及其他形态和表型读数。我们的结果表明，将检测就绪型 PDO 用于化合物筛选等高通量检测具有高效性。
人体相关 3D 细胞培养模型的类型
有多种 3D 细胞模型可用于疾病建模和药物发现，包括细胞球、类器官和器官芯片。每种 3D 细胞模型都有其独特的优势，特定 3D 模型的选择取决于具体的研究需求。通过使用这些人体相关 3D 细胞模型，研究人员可以研究不同治疗对疾病进展的影响，确定潜在的候选药物，并了解疾病机制。
- 细胞球 – 细胞球是在特定环境中自组装的细胞聚集体（例如，接种在涂有低附着面的平板中时）。根据所使用的细胞类型，产生的细胞球可模拟各种组织，如肝脏、乳腺和胰腺组织或特定癌症组织。细胞球是最简单的 3D 细胞模型，通常仅由单种细胞组成。细胞球的生长时间更短，因此使用起来相对容易。然而，它们缺少其他 3D 模型所具有的结构复杂性。它们可由癌细胞或诱导性多能干细胞 (iPSC) 产生，并用于研究癌症进展、耐药性和毒性。
- 类器官 – 类器官为 3D 结构，可模拟特定器官或组织的结构和功能，如脑、肾脏和肠道。类器官可由 iPSC 或成体干细胞产生，并用于研究疾病机制和测试不同治疗的疗效。由于它们源自人体组织，因此能更好地反映疾病。
- 患者源性类器官（或肿瘤类器官）- 患者源性类器官 (PDO) 是用健康和患病组织的组织样本培养的 3D 细胞结构，可表示“培养皿中的患者”。PDO 与患者组织中发现的细胞类型的遗传学、结构和异质性非常相似。这种相似性增强和可译性提高使 PDO 成为疾病研究和药物开发的宝贵资源。
- 器官芯片 – 这些模型涉及使用微流控系统模拟单个装置中不同器官的功能，如心脏、肝脏和肺。它们可用于研究疾病进展并测试不同药物和治疗的疗效。
- 3D 生物打印 – 生物打印是一种相对较新的技术，其使用 3D 打印技术从活细胞和生物材料中创建复杂的生物结构，如组织和器官。生物打印已成为一种有前景的疾病建模工具，因为该技术能让研究人员创建复杂生物系统的精确和可再现模型，这些模型可用于研究疾病进展机制并测试不同治疗的疗效。
3D 生物学在疾病建模中的应用与研究
3D 细胞模型在疾病建模中的应用是一个快速发展的领域，具有较大潜力能够提高我们对复杂疾病的了解并加速新疗法的开发。Molecular Devices 致力于推进这一领域，并为研究人员提供进行 3D 生物学前沿研究所需的工具和技术。
将这种复合生物学与先进的高内涵成像技术相结合，如 ImageXpress Micro 共聚焦系统所支持的技术，可开启全新的检测水平。一款强大且配备 AI/机器学习 3D 分析功能的自动化共聚焦成像仪器可让研究人员以可靠、可扩展的方式快速获得准确的定量结果和问题答案。