一、3D细胞培养技术的革新背景与优势

1. 2D培养的局限性

- 生理环境缺失：2D单层培养无法模拟细胞-细胞外基质（ECM）相互作用、组织三维结构及营养/氧气梯度，导致药物测试结果与体内差异显著。

- 功能模型缺陷：缺乏细胞异质性和组织特异性功能（如代谢、分化），无法准确预测药物毒性和疗效。

2. 3D培养的核心价值

- 生理相关性提升：通过类球体、类器官、器官芯片（OOC）等模型，模拟体内组织微环境，优化药代动力学（PK）和药效学（PD）预测。

- 药物开发效率优化：减少临床前研究的 attrition 率（因模型误差导致的药物失败），加速靶向疗法开发。

二、3D细胞模型的类型、制备与应用

1. 类球体（Spheroids）

- 结构与机制：由干细胞、癌细胞等聚集形成三维细胞团，模拟肿瘤微环境中的氧气/营养梯度及细胞-ECM互作。

- 制备方法

- 悬滴法：细胞悬液在培养皿盖倒置形成液滴，重力作用下聚集成球，操作简单但规模有限。

- 微流控技术：通过微通道控制细胞聚集，精准调控球体尺寸和微环境。

- 磁悬浮法：磁性纳米颗粒引导细胞在磁场中聚集，适合快速制备但需评估纳米颗粒毒性。

- 应用场景

- 癌症研究：模拟肿瘤侵袭、耐药机制及药物渗透（如抗血管生成药物测试）。 - 毒理学：评估化学物质对多细胞组织的毒性（如肝脏 spheroids 模拟药物肝损伤）。

- 局限性：尺寸不均一、标准化困难，缺乏复杂组织层级。

2. 类器官（Organoids）

- 结构与机制：干细胞自组织形成的器官样结构，复制器官的细胞组成、空间架构及功能（如肠、脑、肝脏）。

- 制备技术

- iPSC诱导：从诱导多能干细胞分化，通过生长因子（如Wnt、R-spondin）和Matrigel基质引导器官发生。

- 共培养系统：整合多种细胞类型（如内皮细胞、免疫细胞），构建更真实的组织微环境。Kirkstall Quasi Vivo 3D 多细胞仿生共培养系统，作为类器官培养领域的前沿技术代表，为科研工作者提供了一个高度仿生的体外研究平台。

- 应用场景

- 疾病建模：患者来源的类器官（如结直肠癌、囊性纤维化）用于研究致病机制和基因编辑治疗。

- 精准医学：基于患者类器官的药物敏感性测试，指导个体化化疗方案。

- 挑战：培养周期长、批次间差异大，缺乏血管化和神经/免疫系统整合。

3. 器官芯片（Organ-on-a-Chip, OOC）

- 技术原理：微流控设备模拟器官生理环境，整合细胞、ECM及动态刺激（如流体剪切力、机械拉伸），支持实时监测。

- 核心应用

- 肝脏芯片：模拟药物代谢和肝毒性（如乙酰氨基酚诱导的肝损伤）。

- 多器官芯片：连接肝脏、肾脏等芯片，研究药物全身代谢和器官间相互作用。Kirkstall Quasi Vivo 3D 多细胞/类器官串联芯片动态培养系统，作为类器官培养领域的前沿技术代表，为科研工作者提供了一个高度仿生的体外研究平台。

- 技术优势：可重复性高、样本量少，减少动物实验需求。

三、3D细胞培养的关键技术与AI整合

1. 生物工程技术革新

- 3D生物打印：逐层沉积细胞、生物材料和生长因子，构建血管化组织（如心脏瓣膜）。

- CRISPR-Cas9基因编辑：在类器官中引入疾病相关突变（如阿尔茨海默病APP基因），研究病理机制。

- 先进成像技术：光片荧光显微镜实现3D组织动态成像，单细胞测序解析异质性。

2. AI在3D培养中的核心作用

- 数据自动化分析：卷积神经网络（CNN）分割3D图像，识别细胞形态和组织层级（如肿瘤球体坏死区域）。 循环神经网络（RNN）分析时间序列数据，预测细胞分化轨迹。

- 培养条件优化：机器学习模型基于历史数据优化营养浓度、pH值，减少试错成本（如贝叶斯优化算法）。

- 药物筛选加速 ：高通量分析化合物库对3D模型的影响，预测IC50和毒性阈值。

- 质量控制与预测维护：AI驱动传感器实时监测细胞活力，预警污染或培养异常。

四、当前挑战与未来技术方向

1. 现存挑战

- 成本与规模化：3D培养耗材（如Matrigel）和设备（生物反应器）成本高，限制高通量筛选。

- 成像瓶颈：3D结构需多层扫描（Z-stack），高分辨率显微镜耗时且数据存储需求大。

- 生理复杂性缺失：大尺寸组织模型缺乏血管系统，限制氧气和营养扩散。

2. 未来技术展望

- 血管化模型构建：生物打印结合内皮细胞形成功能性血管网络。

- 免疫兼容模型：整合免疫细胞（如T细胞）到类器官中，研究肿瘤免疫治疗响应。

- AI与多组学整合：融合基因组、蛋白组数据到3D模型，构建精准疾病预测模型。

五、3D细胞模型在药物研发中的具体应用案例

1. 癌症研究： 乳腺癌类器官用于筛选靶向PI3K抑制剂，预测患者对Alpelisib的响应。 胶质母细胞瘤类球体研究化疗药物（替莫唑胺）渗透效率，优化给药方案。

2. 神经疾病建模： 脑类器官模拟自闭症谱系障碍（如SHANK3基因突变），研究神经元连接异常。 - 阿尔茨海默病类器官中Aβ蛋白沉积模型，测试抗体药物（如Aducanumab）清除效果。

3. 传染病研究：肠道类器官研究新冠病毒（SARS-CoV-2）感染机制，筛选抗病物（如Remdesivir）。

参考文献：cell Biomaterials 1, 100050, April 22, 2025 ? 2025 The Author(s). Published by Elsevier Inc.

六、结论与行业影响，展望Kirkstall Quasi Vivo 3D 类器官串联芯片动态培养系统

3D细胞培养与AI的结合推动药物研发从“二维经验驱动”向“三维精准预测”转型

- 科学价值：弥合体外实验与临床结果的差距，提升疾病机制理解（如肿瘤微环境异质性）。

- 产业影响：缩短药物开发周期（临床前阶段可缩短30%时间），降低研发成本（动物实验需求减少50%）。

- 未来趋势：标准化3D模型库（如NIH的Organoid Initiative）和AI驱动的虚拟筛选将成为新药研发核心工具。

Kirkstall Quasi Vivo 3D 类器官串联芯片动态培养系统，作为类器官培养领域的前沿技术代表，为科研工作者提供了一个高度仿生的体外研究平台，其未来发展充满无限潜力，有望在多个关键领域掀起变革浪潮。

在药物研发进程中，该系统将扮演愈发关键的角色。一方面，它能够模拟药物在人体多器官中的吸收、分布、代谢和排泄（ADME）全过程，精准评估药物的疗效与安全性，大幅提升新药研发的成功率，缩短研发周期。

举例来说，在研究一款新的抗癌药物时，通过串联肝癌、肺癌等多种肿瘤类器官芯片，观察药物对不同肿瘤细胞的作用效果，以及药物在不同器官间的代谢转化，从而更全面地了解药物的特性。另一方面，对于药物在不同器官间的相互作用研究，该系统提供了的便利。以往因技术限制，难以深入探究肝脏代谢后的药物如何影响心脏等其他器官，而 Kirkstall Quasi Vivo 系统的出现，使得这类研究得以顺利开展，为临床联合用药提供坚实的理论依据。

疾病研究领域，Kirkstall Quasi Vivo 系统可构建出更复杂、更贴近真实情况的多器官疾病模型。以糖尿病并发症研究为例，将胰岛类器官与肾脏、心血管类器官串联培养，模拟糖尿病患者胰岛功能受损后，对肾脏和心血管系统的连锁影响，深入剖析疾病发生发展的分子机制，为开发针对性的治疗方案奠定基础。同时，利用患者特异性细胞构建个性化多器官芯片模型，能够预测药物对个体的疗效，真正实现精准医疗，提高治疗效果，减少不必要的医疗资源浪费。

在再生医学与组织工程范畴，该系统助力研究不同器官间的相互作用，如血管与器官的协同关系，为组织工程和开辟新思路。通过模拟体内环境，优化生物材料在多器官系统中的应用，促进器官的再生与修复。比如在构建人工肝脏组织时，利用该系统模拟肝脏微环境，使培养出的肝脏类器官具备更好的功能和活性，为肝脏移植提供更多可能。

此外，随着技术的持续迭代升级，Kirkstall Quasi Vivo 类器官串联芯片动态培养系统有望在食品安全评估、环境毒理学研究等领域发挥重要作用，评估食品添加剂、环境污染物等对人体多器官的潜在影响，守护公众健康与生态环境。

北 京 基 尔 比 生物科技公司主营产品：

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