類器官技術(shù)已經(jīng)在精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)應(yīng)用中嶄露頭角，在功能性精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，利用患者來源的類器官進(jìn)行藥物反應(yīng)測試從而幫助確定治療方法，這種應(yīng)用方案的可行性已經(jīng)得到了科研界的廣泛認(rèn)同。然而，由于類器官結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、較高的試劑需求以及缺乏與傳統(tǒng)藥物篩選方案的兼容性，類器官實(shí)現(xiàn)在定量高通量篩選（High-Throughput Screening，HTS）中的普遍利用仍然存在挑戰(zhàn)。

2022年7月，Yichun Wang團(tuán)隊(duì)在雜志“Trends Pharmacol Sci”上發(fā)表了題為“3D cell cultures toward quantitative high-throughput drug screening”的文章。本文章綜述了當(dāng)前類器官模型應(yīng)用于高通量藥物篩選的研究進(jìn)展，并討論類器官應(yīng)用于定量高通量藥物篩選的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，例如類器官無法與智能分析工具集成的問題。最后，通過闡述類器官與自動(dòng)化與與機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）算法集成等方面的進(jìn)展和突破作為總結(jié)。

01?類器官應(yīng)用于高通量藥物篩選

藥物的發(fā)現(xiàn)和開發(fā)是一個(gè)漫長、復(fù)雜和昂貴的過程，目前藥物開發(fā)面臨的挑戰(zhàn)之一是非預(yù)測性的臨床前篩查，這導(dǎo)致了臨床試驗(yàn)的失敗。癌癥藥物的定量高通量篩選的常規(guī)方法是基于2D細(xì)胞和動(dòng)物模型的體外檢測。但2D細(xì)胞生長環(huán)境不能模仿原生組織，而所得細(xì)胞在敏感性和選擇性方面，其對藥物治療效果的精確預(yù)測仍然有限；采用動(dòng)物模型進(jìn)行藥物篩選則缺乏科學(xué)上的有效性和對人類的可轉(zhuǎn)換性，篩選結(jié)果和人體內(nèi)應(yīng)用之間的相關(guān)性很差；并且，基于2D細(xì)胞和動(dòng)物模型的藥物篩選不能對患者的異質(zhì)性進(jìn)行評估。

類器官是由具有自我更新和分化能力的干細(xì)胞通過三維細(xì)胞培養(yǎng)構(gòu)建的，它可以模擬體內(nèi)的生理和疾病狀態(tài)，同時(shí)排除了動(dòng)物和人類之間的差異。類器官保留了細(xì)胞的形態(tài)，而不消除細(xì)胞-微環(huán)境中的串?dāng)_，這使得類器官保留了與生理組織相關(guān)的異質(zhì)性。與動(dòng)物研究相比，類器官模型降低了藥物篩選的成本，而且它們可以顯著減少篩選過程的周期。最重要的是，類器官模型作為一個(gè)體外平臺(tái)，允許高通量和高含量的分析，可以與成像、自動(dòng)化和計(jì)算工具等集成，實(shí)現(xiàn)新一代藥物篩選，以便在藥物科學(xué)和工業(yè)中進(jìn)行有效和精確的藥物發(fā)現(xiàn)和開發(fā)。為了提高類器官高通量藥物篩選的臨床轉(zhuǎn)化和治療可預(yù)測性，需要實(shí)現(xiàn)：(i)類器官的自動(dòng)化構(gòu)建和大規(guī)模培養(yǎng)；（ii）與智能分析工具集成，進(jìn)行定量篩選，以提高精度和靈敏度。（圖1）

02?類器官模型自動(dòng)化

當(dāng)下，類器官構(gòu)建方案的復(fù)雜性和高通量藥物篩選的高耗時(shí)，限制了大規(guī)模和定量篩選的可行性。其次，類器官高通量藥物篩選成本較高的同時(shí)，還需要面對孔間差異、批次間差異的問題。為了解決這一問題，便需要搭建一個(gè)類器官自動(dòng)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的類器官構(gòu)建。自動(dòng)化通常涉及微流體技術(shù)，它可以實(shí)現(xiàn)類器官全流程培養(yǎng)方案和操作的自動(dòng)化，具備流體輸送、時(shí)間控制、試劑濃度控制等功能。

除了類器官構(gòu)建的自動(dòng)化，還需要進(jìn)一步搭建在轉(zhuǎn)化研究環(huán)境中用于高通量藥物篩選的集成的、更復(fù)雜的自動(dòng)化平臺(tái)，以支持和維護(hù)不同類器官的高通量藥物篩選方案。該綜合設(shè)計(jì)允許所有培養(yǎng)步驟的自動(dòng)化，并且，對于不同類型細(xì)胞的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)也具有一定的靈活性。這個(gè)集成的自動(dòng)化平臺(tái)需要配備液體處理器、自動(dòng)培養(yǎng)箱、自動(dòng)離心機(jī)等設(shè)備。培養(yǎng)板的一致性評估可以在集成的多模微孔板讀取器、高內(nèi)涵成像儀等設(shè)備上進(jìn)行。

03?類器官培養(yǎng)的高通量數(shù)據(jù)采集

將類器官模型作為定量高通量藥物篩選的主流“工具”，需要開發(fā)新的數(shù)據(jù)采集方法。當(dāng)前的高通量篩選主要基于單終點(diǎn)測量對細(xì)胞活力、增殖能力等進(jìn)行評估。單終點(diǎn)測量還需要平行測定，以提高所選測定值的有效性。此外，傳統(tǒng)的Live/Dead 染色被廣泛用于三維培養(yǎng)中的類器官定性和定量，但從這種成像實(shí)驗(yàn)中提取精確、高通量和高含量的數(shù)據(jù)仍然具有挑戰(zhàn)性。因此，三維成像，然后進(jìn)行高通量圖像分析對類器官在定量高通量藥物篩選的進(jìn)一步應(yīng)用至關(guān)重要。顯微鏡技術(shù)作為類器官模型研究的基石，能夠通過呈現(xiàn)類器官的生理結(jié)構(gòu)和生長狀態(tài)，基于其幾何結(jié)構(gòu)、生存能力和藥物分子處理時(shí)的微環(huán)境組成等特征。而進(jìn)一步的成像研究將關(guān)注細(xì)胞自發(fā)的調(diào)控行為以及物理因素導(dǎo)致的生理應(yīng)答，如細(xì)胞的拮抗行為和電流誘導(dǎo)的細(xì)胞驅(qū)動(dòng)，來展示類器官在藥物處理后的結(jié)構(gòu)變化、基因表達(dá)、代謝狀態(tài)、表型分化和腫瘤侵襲等方面的詳細(xì)內(nèi)容。

根據(jù)最近的研究表明，新型光片熒光顯微鏡（LSFM）的最新進(jìn)展可以最大限度地減少與共聚焦系統(tǒng)相關(guān)的漂白和光穿透問題。LSFM已成為一種適用于具有高散射特性的大型生物樣本成像的技術(shù)。為了適應(yīng)各種各樣的實(shí)驗(yàn)需求，研究者們開發(fā)了一種靈活的LSFM成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)允許全樣本控制定位，并能夠快速、多通道成像，可用于類器官的高通量篩選分析。另一個(gè)能對活體生物樣進(jìn)行三維成像的是拉曼光譜儀，研究人員對類器管高通量藥物篩選培養(yǎng)板進(jìn)行拉曼測量，可以對毒性機(jī)制，特別是與亞細(xì)胞部分有關(guān)的毒性機(jī)制進(jìn)行可視化和量化分析。因此，基于拉曼光譜的三維成像可以助力類器官應(yīng)用于高通量藥物篩選。

04?類器官培養(yǎng)的高通量數(shù)據(jù)分析

現(xiàn)有的圖像分析軟件多是基于二維成像而開發(fā)的，它們應(yīng)用于三維圖像分析，極大的影響了高通量數(shù)據(jù)分析的效率和精確度。隨著三維圖像分析軟件的不斷開發(fā)，科學(xué)家們把傳統(tǒng)圖像分析與深度學(xué)習(xí)（DL）算法或機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）算法的進(jìn)行集成，開辟了新的圖像分析方法。（圖2）

對于來自高通量篩選的數(shù)據(jù)分析，類器官的圖像可以通過DL模型進(jìn)行分析和分類。例如，Abdul等人報(bào)道了一項(xiàng)新的上皮網(wǎng)絡(luò)的DL測量方法，該方法可以從明場圖像中自動(dòng)揭示上皮球體形態(tài)的細(xì)微差異，并跟蹤細(xì)胞球體管腔結(jié)構(gòu)的變化以及極化和非極化肺上皮球體之間的區(qū)別。（圖3）

05?小結(jié)

類器官在預(yù)測抗癌藥物的療效方面，具有顯著的敏感性和高度的特異性，較準(zhǔn)確的預(yù)測結(jié)果，使其為癌癥，神經(jīng)疾病和心臟病等各種疾病的治療提供了巨大的助力。類器官技術(shù)通過集成先進(jìn)的微制造技術(shù)、自動(dòng)化系統(tǒng)、三維成像工具及人工智能分析工具，能夠讓這種模型技術(shù)廣泛應(yīng)用于定量高通量藥物篩選，促進(jìn)藥物的研發(fā)。