在近期政府政策积极推动替代药物研发中动物模型的背景下，我们探讨了当前神经退行性疾病细胞学方法在转化应用中的不足可能的解决方案。
制药行业面临一个严峻的现实：传统的体外和动物模型在转化为临床成功方面表现不佳，特别是在神经退行性疾病领域。例如，阿尔茨海默病治疗药物从I期到获批的淘汰率几乎达到100%，巴比奴单抗、索拉奴单抗和克雷奴单抗等高调失败的案例凸显了临床前预期与患者结果之间的脱节。
这些药物在转基因小鼠模型中显示出斑块减少，但在人类中未能改善认知能力，这凸显了两个关键局限性：首先，啮齿类动物模型无法捕捉人类神经退行性疾病的复杂性；其次，临床前终点关注的是细胞生物标志物，而非对患者重要的功能性结果，如认知和运动能力。
传统的体外和动物模型在神经退行性疾病领域无法转化为临床成功。
鉴于二维细胞培养被广泛认为不足以模拟神经退行性疾病的多细胞、慢性及年龄依赖性特征，行业 increasingly 转向先进的体外系统，包括三维类器官和灌注共培养或微流控平台。类器官能够重现二维系统无法实现的组织结构和细胞-细胞相互作用，而灌注共培养通过引入受控流动、营养输送和有限的组织间通信，进一步提高了生理相关性。这些进步使以前在二维系统中不可能进行的实验成为可能，例如模拟血脑屏障以评估中枢神经系统药物渗透性、转胞吞作用和屏障破坏，或肠道吸收及早期药代动力学评估。此类系统代表了对传统二维培养的重大改进，但从根本上仍存在局限。
由多能干细胞衍生的类器官类似于胎儿或早期出生后组织，因此无法捕捉线粒体功能障碍、表观遗传漂移和慢性神经炎症等与年龄相关的进程——这正是驱动神经退行性疾病的标志。灌注共培养虽然能够实现多组织相互作用，但在复制完整的细胞多样性、血管复杂性和功能性神经网络连接方面仍显不足。此外，认知或运动协调等功能性终点仍然无法触及，留下了一个关键的转化鸿沟。
秀丽隐杆线虫
秀丽隐杆线虫在其生命周期的不同阶段，包括卵和幼虫阶段。单个雌雄同体线虫可在几天内产生数百个卵，为高通量筛选提供充足供应。图片来源：Magnitude Biosciences
这种向先进细胞方法学的转变也反映在政府政策中。在英国，2025年"替代科学研究中的动物"战略标志着从减少或优化动物使用向在科学可行的情况下积极替代动物模型的重大转变。重大公共投资——6000万英镑用于建立数据、技术和替代方法中心，以及通过医学研究理事会、Innovate UK和惠康基金会提供的额外资金——正在加速类器官、器官芯片技术、3D生物打印组织和AI驱动建模的采用。包括英国替代方法验证中心(UKCVAM)、欧洲药品管理局(EMA)和美国食品药品监督管理局(FDA)在内的监管机构 increasingly 将新方法学(NAMs)纳入药物开发框架。这些举措对于推进与人类相关的科学并符合减少哺乳动物测试的伦理要求至关重要。
然而，当前NAMs工作——专注于增强体外复杂性和计算预测——揭示了盲点。资金和监管势头倾向于类器官和微流控系统，因为它们是传统细胞培养范式的直接延伸：相同的组织、相同的终点——只是在流动或三维条件下。这留下了一些未解答的问题，关于整体生物体反应、衰老、系统相互作用和功能性终点。旨在替代动物的政策因此必须扩大其范围，纳入低等后生动物整体生物模型，才能真正解决转化差距。
资金和监管势头倾向于类器官和微流控系统，因为它们是传统细胞培养范式的直接延伸。
低等后生动物整体生物模型——特别是无脊椎动物如秀丽隐杆线虫(C. elegans)——提供了一个实用的解决方案。这些生物体形小、繁殖力强、不受伦理监管且易于进行基因操作，允许进行可扩展的高通量筛选(HTS)。关键的是，它们能够在自然衰老和疾病进展的背景下研究功能性终点——麻痹、运动能力、趋化性和生存率。秀丽隐杆线虫能够模拟与人类相关的蛋白质病，如β-淀粉样蛋白、α-突触核蛋白和多聚谷氨酰胺扩展，为先进3D系统中的细胞读数与哺乳动物中具有临床意义的功能性结果之间架起桥梁。
神经退行性疾病不仅是大脑的疾病，还受到肠-脑轴等系统因素的影响。菌群失调和改变的微生物代谢物在阿尔茨海默病、帕金森病和肌萎缩侧索硬化症(ALS)等疾病中导致神经炎症、蛋白质聚集和功能下降。当前的3D模型可以通过补充细菌代谢物部分探查这些影响，但微生物群、肠道上皮和神经元回路之间的动态、活体相互作用在很大程度上缺失。像秀丽隐杆线虫这样的整体生物模型提供了一个独特优势：由于其自然以细菌为食，线虫可以喂食活细菌菌株，从而直接评估微生物对蛋白质聚集、神经元健康和运动能力及行为等功能性终点的影响。这种能力使得在最先进的体外系统中仍无法进行的肠-脑相互作用研究成为可能。
高通量筛选
高通量筛选多孔板结合液体培养和自动成像，可实时跟踪大量化合物或实验条件下秀丽隐杆线虫的运动能力和寿命。图片来源：Magnitude Biosciences
除了连接3D模型和哺乳动物研究外，秀丽隐杆线虫特别适合早期靶点验证和高通量药物发现。其体型小、寿命短和高繁殖率使其能够在多孔板中高效测试数百至数千种化合物，将蛋白质聚集等细胞生物标志物与运动能力、趋化性和行为测定等功能读数联系起来。表达人类疾病蛋白或患者特异性突变的转基因品系允许模拟单基因和多基因神经退行性疾病，而基因和化学筛选可以揭示新的治疗靶点或药物重定位机会。
全生物体RNA测序进一步促进药物阐明，超越靶点识别/验证，研究候选化合物调节的脱靶效应和替代通路。这在神经退行性疾病中特别有价值，因为衰老、蛋白质稳态、炎症和代谢之间的相互作用决定了疾病进展。通过将高通量筛选与生物体水平的机制洞察相结合，秀丽隐杆线虫为早期发现、功能验证和合理化学优化提供了一个综合平台——所有这些都在一个可扩展、符合伦理的框架内。
将简单生物模型纳入分层非临床策略，补充了类器官、微流控和AI驱动预测工具的持续发展。C. elegans和其他低等生物并非旨在完全替代哺乳动物模型，而是可以在捕获体外无法触及的关键疾病复杂性、功能性终点、系统相互作用和年龄依赖性病理的同时，减少对高等动物的依赖。通过这些互补方法，能够实现从机制细胞洞察到生物体水平功能验证的发现连续体，加强转化信心并优先选择临床成功可能性最高的候选药物。
最终，一种多样化的建模策略——涵盖先进的3D体外系统、灌注共培养和符合伦理的整体生物模型——可能终于开始弥合几十年来阻碍神经退行性疾病研究的转化差距。虽然类器官和微流控提高了生理保真度并促进了二维系统中不可能进行的研究，但像秀丽隐杆线虫这样的无脊椎动物模型为功能性、系统性和与年龄相关终点提供了桥梁。通过将这些平台与高通量和AI引导的发现相结合，制药行业可以开发更具预测性的管线，减少淘汰率，并加速真正改善患者结果的疗法。
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