שם מקור: The New Frontier in Drug Discovery

תעשיית התרופות מתמודדת עם אתגר מתמשך: הרוב המכריע של המועמדים לסמים המציגים הבטחה בבדיקות קדם-קליניות בסופו של דבר נכשל בניסויים קליניים בבני אדם.שיעורי הפחתה גבוהים, במיוחד בפיתוח בשלבים מאוחרים, עולים ועיכוב משלוח של טיפולים חדשים לחולים.תור גדול יותר של פרדיגמה יעילה של מערכות פיתוח תאים, תוך כדי שינוי יעיל יותר של 3D-Drepertexitances-uptuality) ואפקטיבי של מחלות תאים (D-Drepertance) תוך כדי שינוי יעיל יותר של 3D-D-D-D-אפקטיביות) ואפקטיביות של תופעות לוואי (אפקטיביות של התפתחותיות בטווח הארוך יותר, בעוד שגורם להתפרצות גבוהה יותר (אפקטיביות) ואפקטיביות של תאים) ואפקטיביות של 3D-D-D-D-D-D-D-D-D-D-Rate-Rate-אפקטיביות של תופעות לוואי (אפקטיביות של התפתחותיות (אפקטיביות של תאים) הוא הפחתת רמת יעילות יותר, כאשר הם הפחתת רמת הפחתת רמת יעילות יותר, כאשר הם הפחתת רמת יעילות יותר, כאשר הם הפחתת רמת יעילות יותר, כאשר הם הכשלורידציה גבוהה יותר, כאשר הם

מערכות 3D Cell Culture

ריאליזם פיזיולוגי מעבר לדאיש

בליבתו, מערכת תרבות תאי תלת מימדית היא שיטה המאפשרת לתאים לגדול ולאינטראקציה בכל שלושת הממדים מרחביים.בניגוד למונוסטר שנוצר על משטחים שטוחים או זכוכית בתרבות 2D, מערכות תלת-ממדיות מעודדות תאים לאמץ מורולוגיות והתנהגויות הדומים מאוד לאלה שנמצאו באורגניזמים חיים.תאים ב 3D יכולים ליצור תאים אל תאיים, צומת ועצב מחדש את ה mEC הנוסף שלהם (MCC), ולבסס את התכונות החיצוניות של חומרים מזינים, כולל חומרים מזינים, ותכונות של חומרים מזינים, כולל תכונות חמצן חיצוניות, ותכונות מורכבות, ותכונות.

מספר רב של 3D Culture Platforms

תחום התרבות התא 3D כולל מגוון רחב של טכנולוגיות, כל אחת עם יתרונות ויישומים שונים ב HTS ופיתוח סמים.

  • (FLT:0) מערכות מבוססות-היפולד: FLT:1 משתמשים בחומרים טבעיים או סינתטיים כגון קולגן, אלג'ינאטה, חומצה היאלורונית, או פולימרים ביו-דידנטיים כדי ליצור מסגרת מבנית המחקה את תאי ECM. תאים מושרשתים לתוך או על גבי הרמזים המושפעים שלה, כולל גליגלים, אשר הם אלה שיכולים לשמור על צינורות מימיים ורקמות של תאים ביולוגיים.
  • (FLT:0) מערכות ללא תשלום:FLT:1 בגישות אלה, תאים מתבקשים להרכיב עצמי מצטברים 3D ללא תמיכה חיצונית.תלוי צלחות, לוחיות קבצים מצורפות אולטרה-נמוכות, ושיטות לנטייה מגנטית מעודדות תאים ליצור spheroids או איברדיואידים.
  • (FLT:0Microfluidic 3D Cultures ו-Orver-on-a-Chip:cioFLT:1 פלטפורמות מתקדמות אלה משלבות תרבות תאים 3D עם ערוצים מיקרו-השפעהיים המפחיתים חומרים מזינים ומסירים פסולת, מדגימים תנאים פיזיולוגיים דינמיים כגון זרימת דם.org-on-a-chip יכולים להחנות סוגים מרובים של רקמות המחוברות על ידי ערוצים מיקרו-קלידי מיקרו-חומרים, המאפשרים של מחקר ואפקטיבי תקשורת בין-אורגניתולוגיתולוגית בין-אורגניתולוגית.
  • (FLT:0) Bioreactor-based Systems: FIRLT:1 , עבור יישומים בקנה מידה גדול יותר, ביולוגיים מספקים סביבות מבוקרות עבור תרבות 3D עם מחזור מדיה רציפה רציפה וחילופי גז.מערכות אלה שימושיות במיוחד לייצור מספר גדול של spheroids או איברים עבור יישומים בעלי ביצועים גבוהים ושמירה על תרבויות ארוכות טווח.

מדוע 2D Culture Falls Short in Drug Screen

כדי להעריך באופן מלא את ההשפעה של מערכות תלת מימדיות, חשוב להבין את המגבלות של התרבות המסורתית 2D בהקשר של בדיקת סמים.תאים שגדלו על משטחים שטוחים חווים כוחות של דבקות לא טבעית, להציג קוטביות שינוי, לאבד פונקציות ספציפיות רקמות רבות של תרופות ב 2D לעתים קרובות לא לחזות בתוצאות vivo כי המונות אינו מציג מכשולים לחדירה לסמים, לא לשכפל את הסגולות של גידולים שליליים ונזקים עלולים של 2D כי הם עלולים להיות רק כדי להיכשל כדי למנוע סימנים חיוביים של נוגדים חזקים של 2D כי הם עלולים חזקים של נוגדים חזקים של 2D כי הם עלולים חזקים של נוגדים עלולים עלולים להיות מתואמים את זה יכול להיות מסוגל להיות מסוגל להיות מסוגל להיכשל כדי למנוע את זה רק כדי למנוע את זה רק על ידי 2D.

השפעה חדשנית על High-Throughput Screen

יעילות חיזוי

התרומה המשמעותית ביותר של תרבות תאי 3D ל-HTS היא השיפור המסומן בתקפויות חיזוי. על ידי הצגת תאים בהקשר יותר מקורי, 3D Assays לספק קריאה מדויקת יותר של איך מועמד סמים יתנהג בגוף. לדוגמה, סרטן spheroids לפתח ליבת ערפילית ו ⁇ אקסקסית דומה לגידולים מוצקים, ומאפשר לחוקרים להעריך לא רק cytoity אלא גם פעילות רעילה זה מוביל סגסוגת יעילה יותר.

שיפור הכדאיות של סמים וסובלנות

תאים בתרבות 3D בדרך כלל להפגין עמידות גבוהה יותר של תרופות מאשר עמיתיהם 2D, אשר יותר מקרוב מראה מציאות קלינית.זה אומר כי תרכובות המופיעות יעילות ב 2D עשוי להיות מסונן כאשר נבדקו ב 3D, לחסוך משאבים על מועמדים שבסופו של דבר להיכשל. , 3D תרבויות יכול לחשוף אפקטים רעילים כי הם מסומנים 2D בשל היעדר מגעים תא ושיתוף פעולה מטבולי, למשל, hepatocyte עבור פונקציות חמורות כגון פונקציות חמורות של תפקודים של שבץ חומרים חמורים של שבץ, כגון שבץ חומרים חמורים.

ניכוי חיובי כוזב ושלילי

הסביבה הרלוונטית יותר מבחינה פיזיולוגית של תרבות תלת-ממדית מתורגמת ישירות לתוצאות פחות הקרנה מטעה.ב-2D, תרכובות רבות המשפיעות על דבקות תאים או cytoskeletal יכול להראות פעילות מדומה.ב 3D, השפעות אלה מוקשרות בתוך ארכיטקטורת רקמות מציאותית יותר.התוצאה היא מגמת ירידה נקייה עם יחס גבוה יותר לסימון, המאפשרת הקרנה מראש מובילה עם ביטחון רב יותר של מאות הפחתה משמעותית של מיפוי.

שילוב עם Imaging ו- Multiplexed Assays

(הקדמה בטכנולוגיית הדמיה ו- Assay אוטומציה הפכו אותה להשגה להפעלה של 3D תרבויות בפורמטים רב-ווליים התואמים עם HTS. Confocal ו-Light-sheet, בשילוב עם ניתוח תמונה אוטומטי, לאפשר לחוקרים להעריך מספר נקודות קצה בו-זמנית כולל גודל spheroid, מורפולוגיה, יעילות, אפופטוזיס וחדירה לסמים.

השפעה על צינור פיתוח תרופות

אישור גילוי מטרות ואימות

תרבות תאים 3D אינה מוגבלת להקרנה; היא גם ממלאת תפקיד מכריע בזיהוי יעד מוקדם ואימות.כאשר לומד מנגנוני מחלה, מודלים תלת-ממדיים מספקים ייצוג מדויק יותר של הסביבה התאית שבה מטרה פועלת.לדוגמה, טרשת עורקים תאי סרטן יכולים לחשוף את התפקיד של חלבונים דבקות תאים בהתנגדות לסמים, בעוד איברים שמקורם בגידולים עשויים לעזור לזהות מטרות רלוונטיות בהקשר של מידע זה הואגניטיבי מסייע יותר להקשר קליני.

אופטימיזציה ל-Deeper Mechanistic Insight

במהלך אופטימיזציה מובילה, כימאים וביולוגיה צריכים להבין כיצד שינויים מבניים לתרכובת משפיעים על יעילותה,סלקטיביות, וקליטה, הפצה, חילוף החומרים, ופריציה (ADME) תכונות. 3D מערכות תרבות לספק בדיקה תובענית יותר של עוצמה מורכבת כי הם משלבים מחסומים לטבולוז, חילוף החומרים על ידי סוגים מרובים של תאים, ומנגנוני efflux.זה מאפשר שיפור שונה בין תרכובות דומה של חומרים רגישים לזיהומים מוקדמים של חומרים מסוכנים, אך הם בעלי חיים שונים ב- 2DVertophertoptogenic מוקדם יותר.

הקטנת בדיקות בעלי חיים וקידום מחקר אתי

מעבר להטבות מדעיות, תרבות תאי תלת מימד תומכת בעקרונות של החלפת 3Rs, ניכוי, וסירוב במחקר בבעלי חיים.יותר חיזוי במודלים vitro יכול להחליף כמה מחקרים בבעלי חיים לחלוטין, להפחית את מספר החיות הדרושות על ידי מתן נתונים טובים יותר מוקדם יותר, ולחדד פרוטוקולים על ידי מיקוד מודלים רלוונטיים ביותר של Endpoints, כולל ה- FDA ו- EMA הביעו תמיכה בגישה חדשה למתודולוגיות NAMOMA, כולל חיזוי תרופות חלופיות.

מחקרים ויישומים ברחבי אזורים טיפוליים

אונקולוגיה: Spheroids ו- Patient-Derived Organoids

(הופנה מהדף Oncology הוא הבסיס להכחדת התרבות התלת מימדית בפיתוח תרופות. Tumor spheroids משמשים נרחב כדי להעריך סוכנים סכימיים, טיפולים ממוקדים, ו immunotherapies.

מחלת ניוון: תאי מוח וקו-קולורס

מודלים המוח האנושי מציג אתגרים ייחודיים בגלל המגוון התאי והאדריכלות המורכבת שלו.איברים במוח הנגזרים תאי גזע בשפע עשויים לחקות היבטים של התפתחות קוטוריקטית, מתן פלטפורמות לחקר מחלות כגון אלצהיימר, פרקינסון, והפרעות ספקטרום האוטיזם. אלה 3D מאפשר לחוקרים להעריך השפעות סמים על פעילות עצבית, תפקוד סינפטי, וחלבון בקונפורציה בהקשר זה הוא הרבה יותר מאשר תרכובות אדאומטיות.

Liver Toxicity: hepatocyte Spheroids ו-Co-Cultures

פגיעה בכבד המושרה לסמים DILI נותרה גורם מוביל לנסיגה של תרופות לאחר שוק. hepatocytes ראשוניים לאבד את תפקודם בתרבות 2D, הגבלת השימוש שלהם עבור בדיקות רעילות לטווח ארוך. hepatocyte spheroids ו 3D co-תרבות עם תאים לא-pamatoymal כגון תאים Kupffer ו-stellate תאים לשמור על תפקודים ספציפיים במשך שבועות, המאפשרים לבצע בדיקות חוזרות על ידי בדיקות מתמטיות של 2Dicial זה יכול לספק מודלים אלה.

כתובת אתגרים נוכחיים

מחיר, מורכבות, ו Scalability

למרות היתרונות ברורים שלהם, אימוץ נרחב של תרבות תאי 3D ב HTS ניצב מכשולים. מערכות 3D הם בדרך כלל יקר יותר מתרבויות 2D בשל עלות של צלחות מיוחדות, פיגומים, גורמי צמיחה, ודמיית ההדדיות.המורכבות הטכנית של יצירת טרשת עורקים אחידים או איברים בקנה מידה דורש ציוד מיוחד וכוח אדם מאומן.

המונחים: Development and אימות

התאמת טכנולוגיות ה- 3D פורמטים לא תמיד פשוט.שיטות זיהוי מבוססות פלואורסשן רבות סובלות חדירה גרועה ל-Sheroids או לאיקואידים, מה שמוביל למדידות לא מדויקות. Luminescence-based ATP Assays יכול להיות מותאם אך דורש אופטימיזציה של lysis וזיהוי תנאים.D-C הדמיה גבוהה-שביעות רצון דורש רכישות מתקדמות צינורות אשר יכול לטפל המורכבות של 3D מתקדם שדה הוא שילוב של שיטות כגון: LT-Feration תרבות TS, כגון שיטות הדמיה של 3D.

תקנים והתאמה

כמו בכל טכנולוגיה מתפתחת, התחדשות במעבדות נותרה אתגר.הבדלים במקורות תאים, מדיה תרבות, שיטות דור spheroid, ופרוטוקולים ניתוח יכולים להוביל לתוצאות שונות.ההקמה של תקני ההתייחסות וחומרי בקרה מוסמכים ישפרו מאוד את האמינות של 3D אספרסים. Efforts כגון FLT:0 ה-OECD עבור תוצאות שליליות של מסלולי ה-FLT1 ו-ACT מקובלים לפיתוח של טכנולוגיות מתקדמות ל- 3D.

כיוונים עתידיים וחדשנות חדשנית

שילוב עם Microfluidics ו-Orc-on-a-Chip

הגבול הבא של תרבות תאי 3D בפיתוח תרופות הוא שילוב חלקה עם פלטפורמות מיקרו-השפעה. אורגן-on-a-chip התקנים יכול לחבר מספר רב של 3D לבנות באמצעות ערוצים מיקרו-השפעהיים, המאפשר המחקר של אפקטים תרופתיים מערכתיים, רעילות רב-אורגנית, ופרופילי ADME בניסוי יחיד.לדוגמה, שבב כבד-לב-קשדני יכול לשמש כדי להעריך לא רק את רמת היעילות הניתנת ליעילות, אלא גם באמצעות רמת יעילות גבוהה, אלא גם באמצעות טיפולית, אלא גם באמצעות מטבוליזם של מערכת העצבים הפונקציונליות, אלא גם באמצעות רמת יעילותה, אלא גם באמצעות רמת יעילותה, אלא גם באמצעות רמת יעילותה, אלא גם באמצעות מטבוליזם של מערכת העצבים הפונקציונליות גבוהה, אלא גם באמצעות רמת יעילותה, אלא גם באמצעות מטבוליזם של מחלות לב, היא יעילה, אלא גם באמצעות ניסוי יחיד.

אינטליגנציה מלאכותית ולמידה של מכונות ב 3D

הנתונים העשירים שנוצרו על ידי הדמיה גבוהה של תרבויות תלת-ממדיות מתאימים באופן אידיאלי לניתוח על ידי בינה מלאכותית AI ו- Machine Learning אלגוריתמים. AI יכול לזהות שינויים מורפולוגיים עדינים בטרשת עורקים אשר תואמים עם מנגנון סמים של פעולה, לחזות רעילות המבוססת על מרקם ותכונות מבניות, ולעדכן את הסיווג של אפקטים מורכבים. ML המוכשר על בדיקות נתונים תלת-ממדיות גדולות יכול לשפר את הדיוק של זיהוי ועזרה לפני האפקטיביות.

רפואה אישית וביובנקינג

היכולת להפיק איברים מחולים בודדים פותחים את הדלת לסינון תרופות מותאמים אישית באמת.ביובנקים של איברים מאובסטרואידים בעלי שליטה בחולים מבוססים מבוססים על סוגים מרובים של סרטן, כמו גם למחלות גנטיות כגון סיסטיק פיברוזיס. אלה biobanks חיים ניתן להשתמש כדי להציג תרופות ותרכובות חקירה לפעילות נגד רקע גנטי מסוים של המטופל, המאפשר למרפאות לבחור את הטיפול היעיל ביותר בפיתוח תרופות, לזהות סימנים ביולוגיים חדשים של תרופות או תרופות נוגדות לדלקתיות עבור פעילות משפטית.

פרוטוקולים סטנדרטיים וקבלות רגולטוריות

כמו הטכנולוגיה בוגרת, הפיתוח של פרוטוקולים סטנדרטיים והכשרה רגולטורית של אסימונים תלת-ממדיים ספציפיים יהיה קריטי לאימוץ נרחב.ה- FDA וסוכנויות רגולטוריות אחרות פועלות באופן פעיל על מסגרות להערכת וקבלת NAMs.ההתאמה של תרבות תאי 3D ספציפית כאמור לאבחון בטיחות כגון מודל הפריפריה של ה-DILI, תזרז אימוץ תרופות ותספק נתיב ברור לבדיקות רגולטוריות של 3DMAFIRD:

מסקנה: תקן חדש לפיתוח תרופות

מערכות תרבות תאים 3D עברו מעבר למעבדת המחקר, והופכים להיות אינטגראליים יותר לתהליך פיתוח התרופות המרכזי.היכולת שלהם לספק נתונים רלוונטיים מבחינה פיזיולוגית ב-High-באמצעות חישובי סקר, והיא הופכת לחסרונות ארוכי שנים של תרבות 2D, כולל תוקף חיזוי גרוע, שיעורי חיובי גבוה כוזבים, ותובנות מוגבלות יותר לחדירה לסמים ומנגנונים רעילים יותר.