模型设计从药物问题开始
2023 年发表于 Nature Reviews Bioengineering 的综述 Human disease models in drug development，把细胞来源、组织功能、实验规模和临床用途放在一起讨论：研究需要先明确要观察哪一种疾病变化，再选择能够呈现这一过程的体系。
作者比较了二维细胞、工程组织、类器官和器官芯片。它们分别擅长高通量比较、预先安排组织成分、自组织发育或动态灌流。模型的用途决定哪些特征必须保留。
例如，早期筛选需要快速比较较多候选物，患者来源二维细胞仍有价值；研究屏障通透、组织间代谢或力学作用时，则需要相应的结构和环境。综述因此把技术类型视为实验设计的一部分。
细胞来源、工程组织与自组织模型的取舍
原代细胞保留人源组织背景，但获取数量、供者差异和体外增殖能力会限制实验规模。成体干细胞及诱导多能干细胞（induced pluripotent stem cells，iPSCs）增加了可重复获得细胞的可能性，同时引入分化状态和细胞组成方面的问题。
工程组织可以按照研究目标安排不同细胞与支架，形成上皮层、气液界面或其他组织关系。类器官则利用细胞自组织形成结构。两类模型的控制方式不同：预先确定位置有利于比较特定关系，自组织有利于观察发育及患者组织特征，但产生的细胞比例可能随体系变化。
iPSC 来源类器官常呈现较早发育阶段的特征；成体组织来源类器官通常较偏向上皮成分。
药物应用既包括筛选，也包括患者响应比较
综述中的二维应用包括神经退行性疾病相关的表型筛选，以及用患者 iPSC 衍生细胞进一步检测候选药物对异常过程的作用。表型筛选先观察细胞或组织变化，不要求最初就已锁定单个作用靶点；组学和计算分析随后帮助解释变化及提出候选方向。文中以脊髓性肌萎缩症研究为例：表型筛选获得的剪接调节剂，随后在患者 iPSC 来源运动神经元中检验剪接纠正及蛋白恢复。
肿瘤类器官案例进一步比较癌组织与正常组织的药物作用。文章介绍了基于结直肠癌类器官筛选双特异性抗体的工作，用于寻找对肿瘤更具选择性的候选物。其中 MCLA-158 同时结合 EGFR 和 LGR5，筛选比较了结直肠癌与正常组织类器官的反应。
另一类应用是把体外响应与患者结局对应。综述介绍囊性纤维化直肠类器官的功能测量，以及多种癌症患者类器官与实际治疗响应的比较。此类研究的共同点是存在明确的人体参照。囊性纤维化案例包含 71 名受试者、28 种 CFTR 变异；研究以类器官腔面积变化反映 CFTR 功能，比较潜在有效的药物组合。
功能缩放、药物运输与力学环境
多器官系统涉及组织体积、细胞数量、液体周转及药物运输。文章区分按体积缩小、依据器官与体重关系缩放，以及按关键功能进行匹配的思路。几何上等比例缩小，不一定同时保持代谢速度和暴露时间。
功能缩放可围绕肝脏清除或肾脏过滤等指标建立比较。但在肠—肝系统中，为肠道选定的流动条件可能使肝脏药物暴露过短。作者进一步讨论相似性缩放，借助无量纲关系同时考虑几何、运输和功能速率。
力学环境也会改变模型表现。综述所述心肌组织中，负荷影响细胞排列、传导与收缩；基质刚度则影响肠道细胞的分化状态。这些环境因素属于研究所需的组织条件。
疾病表征、药物响应与模型验证
综述提出的验证内容包括组织学特征、基因和蛋白状态、已知药物响应及实验噪声。单细胞与空间分析可以检查模型包含哪些细胞、处于何种状态；三维成像则帮助观察细胞排列和不同位置的变化。
模型复杂度增加后，营养运输、培养寿命及不同组织共用环境也会成为实际问题。作者指出，多器官体系的培养条件可能适合一种组织，却改变另一种组织的成熟状态。长期维持需要同时观察细胞存活和所需功能。
光片和多光子成像还可以观察三维结构中的细胞形态、位置与相互作用。与只测整体平均信号相比，这类空间信息有助于识别不同细胞群对药物的反应；数据量增加后，图像处理与实验测量也需要共同设计。
研究者已利用类器官明场图像中的形态和纹理变化建立药物剂量–反应曲线。综述还提出，数字孪生可将细胞生长、流体流动和物质运输等过程纳入数学模型，并随实测数据逐步改进；当时这类应用仍处于早期探索阶段。
免疫调节是另一项难点。多数模型只加入少数预先选定的免疫细胞类型，难以重现体内多类免疫细胞之间的相互调控。患者来源模型的建立成功率和周转时间也影响临床应用，原文所述建立、扩增与药物测试往往需要数周至数月。
规模化应用需要验证、生产和共享资源
作者将患者体内数据作为模型验证的重要参照，并提出跨实验室可重复性、明确监管路径和稳定规模化生产等要求。2023 年这篇综述还建议借鉴综合体外促心律失常评价（Comprehensive in vitro Proarrhythmia Assay，CiPA）计划的跨机构协作方式，让模型开发者、药企和监管机构围绕共同问题开展验证。
复杂人源模型需要专门技术、设备与人员，商业化产品的成本和固定设计也会限制定制实验。核心实验平台、培训支持及活体类器官库，可让更多研究者获得患者材料和可直接使用的模型。