3D组织模型：让器官芯片助力新药研发

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关键词：新药器官药研发药研发

资讯来源：药时代

发布时间： 2021-03-28

当前的药物发现模式在很大程度上是无效的：

进入I期临床试验的新药：仅有十分之一能够最终获得FDA批准。

进入I期临床试验之前：大约80％的药物会失败。

据估计，当今40％的药物开发成本发生在临床前研究，而临床前安全性和有效性数据难以“复制”到人体，也是导致大多数化合物难以推进到临床阶段的原因。

3D组织模型的开发者正在利用特定疾病模型系统中的高保真生物学技术来支持关键治疗领域的生物制药研发。而3D组织模型的希望从药物筛选扩展到新型药物靶点发现和快速药物设计，以及个性化药物试验人群的鉴定。

复杂的3D组织模型新平台的出现，与以前的2D技术相比，具有可以模仿人体器官的结构和功能，并更好地代表成熟的人类生物学和生理学优势。这些模型能够在体外研究提供类似体内的数据，通过早期的功效/安全性信号降低开发风险，同时降低成本和开发时间，从而增强新药研究和发现过程。

展望未来，随着研究人员寻求以新方式利用技术，一直到在体外模型系统中反映临床试验的节点，3D组织模型新技术将继续得到更深入的验证和广泛使用。

在 3D组织建模领域中已经开发了多种方法。其中包括利用电生理，微流控和其他技术的器官芯片(Organ-on-a-chip,OOC)系统，以为细胞和组织（包括iPSC衍生的组织）创造环境来模仿人体器官功能。

该领域的推动者主要来自基础研究，并在特定疾病模型系统中利用高保真生物学来支持关键治疗领域（例如神经退行性疾病，肝脏/毒理学，肾脏，胃肠道，肿瘤，心血管）的生物制药研发。尽管这些公司中的大多数公司（其中包括AxoSim和TARA Biosystems）都专注于特定的模型系统，但其中一些公司（例如InSphero和Mimetas）拥有可支持各种应用程序的平台技术。

AxoSim

AxoSim开发了两个新型神经病学平台：“Nerve-on-a-Chip”（模仿神经细胞的Schwann细胞髓鞘形成以及与人类相关的电生理和结构），以及Mini-Brain（与人相关髓鞘形成3D技术）。这些解决方案复制了中枢神经系统和周围神经系统的细微差别，使研究人员能够在多种神经退行性疾病应用中支持药物研发。

Emulate

Emulate开发了一系列特定于器官的解决方案，包括其Lung-Chip平台，该平台可模拟肺部的结构和生物学。这些专门的肺部模型为研究人员提供了研究肺泡（Alveolus Lung-Chip）生物学和气道炎症（Airway Lung-Chip）以治疗诸如哮喘和慢性阻塞性肺病等疾病的能力。

InSphero

InSphero设计了可直接用于分析的3D微组织平台，包括专有工艺，分析板和芯片器官技术，可在肝脏毒理学，代谢性疾病和肿瘤学中进行定制化应用。在其解决方案中，InSphero基于肝细胞和库普弗细胞的共培养模型开发人类肝脏微组织，该模型支持预测药物诱导的肝损伤，以提供改进的化合物分类，优先排序和因毒性问题而化解风险。

Mimetas

Mimetas设计了OrganoPlate，是一种专有的微流体3D细胞培养板。它采用液体处理技术（Phaseguide）来实现3D培养基质和细胞的无障碍定义，支持细胞间相互作用并改善成像和定量。例如，OrganoPlate培养板可用于调节近端小管，从而更好地了解其功能并增强针对肾脏缺血和多囊性肾病的药物发现过程。

Nortis

Nortis已开发出微流控芯片，旨在生成各种组织架构。该解决方案基于一个灌注系统，在该系统中，集成了由芯片和支持介质储槽组成的平台以创建脉管系统并模拟人体组织的微环境。最近的应用包括通过开发且彼此关联的肝芯片和肾芯片进行测试，来研究已建立的肾毒素在人体器官中的机制。该技术提供了一种用于研究器官-器官相互作用和药物毒性表征的离体方法。

SynVivo

SynVivo开发了微流控芯片来模拟微血管网络。它的血脑屏障模型通过模拟与跨血脑屏障的内皮细胞通讯的脑组织的组织切片来重建体内微环境。该模型模仿所需细胞群的细胞组成，以实现快速的药物筛选，从而改善发现和毒性分析以及对这些组织中药物运输的机理性了解。

TARA Biosystems

TARA Biosystems利用iPSC和组织工程技术，为心血管研究开发了一种新颖且可扩展的成熟心肌组织平台。这些经过改造的心脏组织通过概括成年心肌的结构和功能（例如驱动钙处理并因此引起心跳的电脉冲）来模拟心脏生理微环境，这是传统心脏细胞系所缺乏的关键特征。TARA的平台可以解决心血管药物的发现和开发问题，并有可能取代昂贵的体内动物心脏安全性研究。TARA还在扩展其用于骨骼肌组织模型的平台。

3D组织模型的应用前景超出了药物筛选的范围。常规的临床前模型的用途仅限于它们概括人类生理的能力，但是在许多疾病中，驱动病理的基本机制尚不清楚。新型3D组织模型可在不连续的时间范围内（例如，从健康状态到病理状态的进展）对组织形式和功能进行多尺度评估。这些系统可以更好地识别新型药物靶点并加快药物设计，同时降低成本并提供更深的临床前研究数据“复制”到人体的洞察力，从而为体内药物作用提供依据。

案例：Kalydeco

作为正在使用的这些新型模型的一个示例，Vertex药业成功地利用了基于体外细胞模型的数据，获得了FDA的批准，以扩大Kalydeco在囊性纤维化中的适应症。这是通过使用带有囊性纤维化跨膜电导调节剂（CFTR）基因的工程细胞并在体外测量对Kalydeco的细胞反应来实现的。研究人员观察到，用更多CFTR基因改造的细胞对Kalydeco有反应，并推断出其他CFTR基因在早期临床试验中观察到的相同临床益处，但无需在患者中复制这种效应。

尽管Vertex的经验在药物开发人员领域相对独特，但它清楚地说明了经过充分验证的模型可以发挥的作用。最初的使用案例可能会在超罕见的征兆中体现出来，在该征兆中患者招募可能会带来挑战（例如，在囊性纤维化中），但是随着时间的推移，更先进的模型可能会为有效的药物发现和开发工作提供更广泛的优势。