药物发现的进一步维度:结合3D培养与iPSCs

三维(3D)细胞培养在药物发现领域的应用在过去的十年中加速了。与3D细胞培养技术同步发展的是越来越多地使用诱导多能干细胞(iPSCs)衍生的人类细胞。研究人员对在尽可能与生理相关的模型中测试药物感兴趣，因此，这两种方法融合只是时间问题——为疾病建模和药物毒性测试提供优化的系统。

副总裁兼总经理Richard Eglen解释说:“研究人员很自然地会说，‘好吧，如果3D培养能在最好的生理条件下培养细胞，从而获得最好的生理数据，那么在3D培养中使用ipsc衍生细胞如何?康宁生命科学．

“真正促使这种趋同的科学是人类多能干细胞的更广泛采用;因此，我们现在有了患者特异性、疾病特异性的HiPSCs。”

换句话说，研究人员现在可以利用每种技术的好处，为他们提供尽可能最好的模型，“从疾病研究到药物发现，在某些情况下，甚至到诊断，”Eglen解释说。

三维细胞培养和诱导多能干细胞在药物发现和疾病建模中的应用

3D培养现在正在成为疾病建模和药物发现的标准实践。当涉及到确定药物的效果或模拟人类疾病时，动物模型往往是不够的，而且使用它们还存在伦理问题。

3D培养让人类细胞在三维人工环境中生长并与周围环境相互作用这更像在活的有机体内状态。

与动物来源的组织相比，人类细胞明显更具有生理相关性，药物毒性测试是一个具体的例子，证明了使用人类细胞的明显好处。Eglen说:“如果你能使用3D培养的人类iPSC衍生肝细胞，你就能更好地预测临床前测试中会发生什么。”

“动物模型不能很好地预测人类将会发生什么。你可以测量药物代谢，但人类肝细胞表达不同酶的水平与动物细胞不同。当然，因此，与人类细胞相比，药物在动物细胞中的作用不同。”

事实是对药物发现研究人员来说，几乎无限量的iPSCs是一个额外的好处．一旦你获得了这些细胞，你就可以把它们培育成无限量的、高度可复制的细胞。

但是，毫无疑问，使用3D培养的人类iPSCs的最大优势之一是“你可以使用它”不同的细胞“使用患者特异性细胞为你提供了关于药物化合物在特定患者群体中的有效性和安全性的数据。

Eglen解释说:“你现在可以从心脏细胞中某些蛋白质发生特定突变的患者身上培养心脏细胞，然后你可以测试这些心脏细胞中的化合物。”

用3D细胞系统建模进行性疾病

通过在3D中使用患者来源的细胞，现在有可能生成模型，为许多疾病的机制提供有价值的见解。根据Eglen的说法，神经科学是一个正在取得重大进展的领域:“帕金森病、亨廷顿病和阿尔茨海默病都在极大地受益于基于iPSCs衍生细胞的大脑3D模型。”

3D细胞培养可以长期存在，这意味着现在有可能创建模型，模拟在疾病中观察到的渐进式变化，例如神经退行性疾病。

细胞培养的这种时间方面被称为“第四维度”。这种细胞培养中增加的维度在模拟进行性疾病时是至关重要的，有助于确定两者急性而且长期暴露于药物的影响。

Eglen说:“例如，如果你考虑开发治疗阿尔茨海默病的化合物，你真的想要能够影响疾病进展的药物，而不是那些会产生急性效果的药物。”

使用iPSCs -优于传统来源的细胞系

这两个不灭的而且主要的细胞系是传统来源的例子。原代细胞的主要挑战是，由于直接取自特定患者或尸体类型的来源，其丰度有限。

另一方面，永生细胞可以无限增殖，因此可以培养几代。然而，Eglen很快指出了在使用永生细胞系时应该考虑的一个单独的缺点:“如果它们是永生细胞，那么它们就是不朽的。因此，它们与第一次被隔离时相比发生了很大的变化。”

“考虑到海拉细胞株，最初是从亨丽埃塔·拉克斯身上分离出来的在一代又一代的这些细胞被永生后，它们与第一次被分离时发生了很大的变化，因此你必须问一个问题:‘它们现在与第一次被发现时有多大相关性?’”

为了避免与永生相关的问题，以及简单的细胞丰度问题，研究人员转向了诱导多能干细胞。

“你可以从多种来源获取iPSCs，例如皮肤细胞或血细胞。因此，它们很容易被分离出来——这确实是疾病建模和药物发现方面的一项突破性技术。”Eglen解释道。

受益于这些技术的研究领域

有许多研究领域都受益于iPSCs和3D细胞培养的使用。下面我们就举三个例子:

糖尿病性视网膜病变

糖尿病性视网膜病变影响视网膜内的血管画在眼睛后面。在糖尿病患者中，它是导致视力下降的最常见原因。

发育和干细胞生物学的进步使得成功分化多能干细胞成为可能视网膜细胞．

从PSCs中提取的3D视网膜结构的第一个描述出现在2009年，当时迈耶 et al。 人类胚胎干细胞和诱导多能干细胞可以用来模拟视网膜发育，并在3D中模拟早期视网膜的形成。

“在3D中培养ipsc衍生的视网膜细胞的能力使人们能够了解糖尿病视网膜变性的基本原理，并考虑培养细胞来取代死亡细胞。因此，我们要尝试取代糖尿病患者的一些视力。”

Achberger et al。 最近在2018年的一篇论文中讨论了基于干细胞的视网膜模型的使用，并强调了可用的视网膜干细胞模型及其目前的应用。

心肌疾病

以细胞为基础的疗法为经历过心肌梗死(MI，也称为心脏病发作)的患者带来了新的希望。心肌梗死是由于流向心脏的血液被阻塞而引起的．心脏血液供应的中断会导致心肌损伤，危及生命。

拉蒂 et al。 2014年发表了关于iPSCs用于心肌梗死后修复的研究。他们强调了大量使用iPSCs进行心肌梗死后细胞治疗的临床前研究。诱导多能干细胞可以分化成所需的心脏谱系细胞，然后可以移植到受损的心脏(注射或组织工程心脏补丁)。

“心脏病发作后，由于心绞痛发作，你会有许多细胞死亡。观察这些细胞中发生了什么，并将其替换为3D生长的ipsc衍生肌细胞的能力是一个快速发展的领域，”Eglen解释道。

2018年5月，日本厚生劳动省宣布允许科学家用从多能干细胞中提取的细胞治疗心脏病患者．

胶质母细胞瘤

多形性胶质母细胞瘤(GBM) -也称为胶质母细胞瘤，是一种一种快速生长的脑瘤，由神经胶质脑细胞发育而来．GBM是一种侵袭性癌症，通常在诊断后15个月内导致死亡;因此，迫切需要开发新的治疗方法来提高生存率。

虽然许多药物已经进入临床试验，目前只有四种被FDA批准“绿带运动”。这种缺乏成功可能归因于所使用的临床前疾病模型没有概括人类GBM的特征，这意味着它们很难预测药物进入人体临床试验阶段后的疗效。

威尔逊 et al。去年发表了一篇论文，详细介绍了他们从人类胶质母细胞瘤中生成的“肿瘤球”(在无血清培养基中培养的带有生长因子的球体)。与传统的肿瘤模型相比，这些癌球模型更准确地模拟了原发肿瘤的遗传和表型特征。研究人员能够证明癌球细胞系适用于高通量细胞活力药物筛选，这表明它们有潜力帮助识别先导化合物。

林口 et al。2019年3月报道，开发了一种大脑类器官胶质瘤(GLICO)模型，用于对患者特异性GBMs进行改造，旨在克服当前临床前胶质母细胞瘤模型的局限性。通过使用患者来源的胶质瘤干细胞和人脑类器官，该团队能够创建一个GLICO模型，帮助科学家更准确地研究人脑环境中的GBM生物学。

识别并克服在3D中使用iPSCs的相关挑战

虽然3D文化已经存在了近十年，但从那时起，iPSCs就已经为人所知约翰·b·戈登和山中伸弥在2012年获得了诺贝尔奖在美国，两种方法的结合正在推动科学家们开发更复杂、更新颖的协议，以供它们的合作使用。在某些情况下，Eglen解释说，这些协议“因实验室而异，并没有简化为常规实践。人们仍在研究实现这一目标的最佳技术条件。”

考虑到这一点，Eglen建议说，目前该领域在很大程度上局限于研究实验室，尚未成为“主流药物发现”。

“主要的挑战是制定标准化协议的复杂性，然后你可以将其推进到更多的常规研究中。我认为它会实现，我只是认为它反映了当前该领域的新颖性和快速增长的步伐。”

Richard Eglen接受了科技网络科学作家Laura Elizabeth Lansdowne的采访。188金宝搏备用