肿瘤微环境与药物测试的模型设计
2023 年 5 月 8 日，Biochemical Pharmacology 在线发表诺森比亚大学（Northumbria University）与纽卡斯尔大学（Newcastle University）团队综述。作者讨论下一代类器官和三维组织工程怎样用于肿瘤药物测试，重点是肿瘤细胞与周围环境之间的相互作用。
药物反应受到肿瘤细胞自身特征影响，也可能受到邻近细胞、细胞外基质及局部物理环境影响。综述因此将微环境作为模型设计的一条主线：希望研究哪一种药物作用，就需要考虑模型是否包含与该问题相关的组成。
作者特别讨论了间质细胞、肿瘤休眠及细胞状态可塑性。以白血病为例，肿瘤细胞会改变骨髓环境，周围细胞又反过来影响其存活和治疗反应。癌相关成纤维细胞产生的基质还可能改变药物进入组织的过程。模型因而需要关注细胞之间持续变化的关系，以及低增殖状态细胞的反应。
细胞系、组织切片、球状体与类器官
细胞系便于取得、培养和比较，仍适合很多常规药物研究。作者同时指出，二维培养难以完整呈现组织空间结构与细胞间作用；细胞系与原肿瘤的分子特征可能有差异。
患者来源细胞和组织切片提供另一类信息。组织切片保留部分原有细胞组成和结构，便于观察肿瘤与间质关系，但样本获取、保存能力及适用癌种仍影响使用。
球状体为细胞培养引入三维结构，类器官则可包含来自相关组织的多种细胞及细胞外基质。综述举例介绍了乳腺癌和直肠癌类器官在患者来源药物测试中的应用。
这些差异可直接体现在药物结果中：综述引用的白血病研究显示，三维间质球状体比二维共培养更能支持患者白血病细胞生长，同时观察到较低的地塞米松敏感性。乳腺癌类器官研究则保留了原肿瘤的部分形态及 HER2 特征，并显示相应靶向药物的反应差异。
基质材料、力学属性与 iPSC 来源
细胞外基质（extracellular matrix，ECM）为细胞提供支撑，同时参与迁移、增殖和分化相关作用。综述说明，水凝胶的组成与力学属性能够影响培养表现，细胞也会逐步重塑其周围环境。
作者讨论常用基质存在成分未完全定义、批次差异和机械特征变化等问题。这些因素会影响模型之间能否比较。
合成材料便于控制基质的化学组成和力学性质；海藻酸盐等非动物来源材料也可用于三维培养。作者指出，这些材料仍需具备与目标组织相关的生化信号。
诱导多能干细胞（induced pluripotent stem cells，iPSCs）能够提供可扩增的细胞来源，并支持不同组织模型。分化后的组成、表型及其维持能力，是将其用于疾病模型时需要控制的关键因素。
规模化、自动化与三维生物打印
模型若用于大量药物测试，建立数量、操作便利性和数据产生时间都成为实际约束。综述强调，模型对组织环境的呈现与扩大生产规模之间常存在权衡；自动化的价值在于减少重复操作并提高一致性。
三维生物打印通过更可控的材料与细胞布置，为模型规模化提供路径。不同打印方式在材料适应性、细胞承受的机械影响、设备复杂程度和成本方面有所区别。
作者比较了喷墨、挤出和激光辅助打印的不同取舍。喷墨适合快速形成液滴，但对高黏度材料和细胞沉降较敏感；挤出打印可处理更黏稠的材料，却增加了细胞承受的机械应力；激光辅助方式减少与喷头接触，但设备更复杂、成本更高。打印方式需要与细胞活性、材料性质及预期组织结构共同选择。
综述引用的一项乳腺模型研究比较了打印后的单细胞、球状体及内皮细胞共培养。球状体对紫杉醇的敏感性低于单细胞，加入内皮细胞后敏感性也降低，显示培养组成会影响药物反应。
器官芯片补充流动、界面与机械环境
器官芯片在三维培养之外，引入组织界面、液体流动和机械条件等可控制因素。这些因素参与细胞黏附、迁移及组织功能，因而可用于研究常规静态培养不易呈现的肿瘤环境。
文章介绍了乳腺癌细胞向肺和肝脏微环境侵袭的芯片模型，以及用多器官连接系统预测药物药代参数的研究。作者同时指出，专门设备、操作复杂度和规模化困难，限制了这些系统在更多实验室中的应用。
免疫细胞和器官特征扩展模型的研究用途
免疫治疗评价需要把免疫细胞、肿瘤组织及细胞迁移过程结合起来。综述介绍了将人免疫细胞与患者来源肿瘤模型共同培养的研究，以及能够保留成纤维细胞和部分免疫组成的培养方式。协调淋巴组织、肿瘤和血管等不同部分，仍是复杂模型设计中的难点。
不同器官也有不同的评价重点。脑和血脑屏障模型可研究肿瘤浸润及药物进入中枢神经系统；肌肉模型可用于分析肿瘤和治疗相关的肌肉损伤；结肠类器官则需要关注局部氧环境、组织更新及细胞组成。作者将微生物群对肿瘤微环境的影响列为后续拓展方向，尚未给出统一成熟的模型方案。
成像与空间分析帮助检验模型质量
高内涵成像可以量化类器官形态、细胞分裂、凋亡及内部排列。光片显微成像在三维活体观察中有助于减少光漂白和光损伤；自动化成像则可将原先依赖人工观察的特征整理为可比较的数据。靶向转录分析还能将药物反应与细胞分化或作用机制联系起来。
空间转录组将表达信息保留在组织位置中，帮助比较类器官与正常或疾病组织的细胞分布及相互关系。作者强调，这类表征应服务于模型验证，检查模型是否保留了研究所需的组织特征。遗传信息、空间表型和实际药物反应共同提供的资料，可补充仅按基因标志物选择治疗对象的思路。
临床转化中的模型要求
文章最后将临床相关性、实验安排在不同实验室之间的可转移性、结果重复性和规模化列为重要目标。肿瘤异质性、微环境组成与细胞来源数量，则是相互联系的约束。
扩大模型规模还需要足够的患者或原代细胞，并在与临床决策相适应的时间内完成培养和测试。作者将医院、学术机构和产业之间的合作，以及细胞来源和模型表征工具的改进，列为重要条件。