加州大学欧文分校的研究人员开发了一种与生物电子技术集成的3D人类结肠模型，用于结直肠癌研究和药物发现。这个"3D体内模拟人类结肠"能够实现精准、个性化医疗，并提供比传统动物实验更为伦理、准确且具有成本效益的替代方案。
在最近发表在《先进科学》杂志上的一篇论文中，加州大学欧文分校Samueli工程学院的研究人员概述了他们创建的一个约5×10毫米大小的复制品，该模型包含了结肠的关键结构特征，包括管腔曲率、多层细胞组织以及类隐窝状凹陷的自发形成。
"我们3D-IVM-HC模型中的三维形状、曲线和隐窝对于维持更真实的细胞行为至关重要，即使在缩小的尺寸下也是如此，"资深作者、加州大学欧文分校电气工程与计算机科学助理教授Rahim Esfandyar-pour表示。
"由于我们的模型更接近地再现了人类结肠生物学，它可能被用于以比动物模型或简单细胞培养更好地预测患者反应的方式来筛选药物或测试治疗方法。它可能是美国食品药品监督管理局(FDA)专家所寻求的强大非动物模型和新方法之一。"
Esfandyar-pour表示，当他注意到当前临床前测试方法在检测和治疗结肠疾病方面的关键局限性时，他受到启发开展这个项目。他说，大约一半来自啮齿动物的毒理学发现无法准确预测人类毒性，动物模型通常不足以捕捉人类肿瘤生物学的关键方面。此外，仅常规癌症研究就需要在四到五年期间投入总计数百万美元的财务资源。
"我们生物电子集成的3D-IVM-HC模型解决了动物研究中的一些实际和伦理挑战，提供了一种基于人类细胞、无动物的方法，具有实现快速、经济高效且可扩展的转化研究的潜力，"Esfandyar-pour说。"通过消除物种间变异，该模型能够增强临床可转化性，为临床前研究提供加速且符合伦理的途径。"
该模型使用由明胶甲基丙烯酸酯与海藻酸盐混合制成的生物支架构建，两者共同形成模仿结肠软组织的支持基质。人类结肠细胞排列在迷你结肠的内表面，而支持性成纤维细胞则嵌入外层以重现结肠的生存环境。
"这种复杂的结构排列促进了强大的细胞间相互作用，与传统2D培养相比，细胞密度提高了四倍，并可能增强生理相关性和屏障功能，"Esfandyar-pour说。
他补充说，3D-IVM-HC模型在药物筛选方面优于传统的基于培养的系统。在使用化疗药物5-氟尿嘧啶进行的实验中，该模型显示癌细胞对治疗的抵抗力更强——需要大约10倍的高剂量才能达到与传统培养皿应用相同的细胞杀伤效果。Esfandyar-pour指出，这反映了在真实患者肿瘤中观察到的药物抵抗性，表明该模型在药物测试方面具有更高的保真度。
根据论文，该平台为定制化治疗开辟了新途径。研究人员设想从患者的肿瘤活检中提取其自身细胞，并培养个性化的迷你结肠，以确定哪种药物对该个体患者最有效。
该模型的开发时间线包括大约两周的培养和成熟期，随后是几天的测试期——这比传统的动物研究快得多且更具成本效益。这个时间框架使模型能够真实地模拟生理反应，同时为药物筛选提供快速结果。
Esfandyar-pour表示，这一创新可以增进对机制的理解，提高治疗效果评估的预测准确性，并加速高通量精准药物发现。
"医院和实验室最终可以使用此类模型以伦理、及时的方式对新疗法进行临床前测试，可能改变药物开发流程，"他说。"这项研究可能代表了全球努力开发更可靠、更人道且更具成本效益的动物实验替代方案的重要一步，可能推动精准医学的发展，并改善全球结直肠癌患者的治疗效果。"
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