加州大学欧文分校研究团队研发出3D类人体结肠模型（3D-IVM-HC），通过生物电子技术和多层细胞结构再现真实肠道环境，为癌症药物研发和精准治疗提供新工具。该模型可减少动物实验成本与伦理问题，提高药物筛选预测性，并支持个性化医学应用，如从患者活检培养微型结肠进行疗效测试，加速临床前研究流程，推动个性化抗癌方案的发展。
美国加州大学欧文分校的研究人员开发了一种集成生物电子学的3D人体结肠模型，以推进结直肠癌研究和药物发现。该3D类体内模拟人体结肠旨在提高精准医疗水平，同时减少对动物实验的依赖，提供一种更加伦理、准确且成本效益更高的替代方案。
在《Advanced Science》发表的一项研究中，加州大学欧文分校Samueli工程学院团队详细介绍了他们开发的5×10毫米结肠复制品，该模型重现了关键解剖特征，如弯曲、多层细胞结构以及隐窝状凹陷。
“我们3D-IVM-HC模型中的三维形状、弯曲和隐窝对于保持更加真实的细胞行为至关重要，即便是在缩小尺寸下也是如此，”高级作者、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。“由于我们的模型更贴近人体结肠生物学，它有潜力用于药物筛选或治疗测试，比动物模型或简单细胞培养更能预测患者反应。这可能成为美国食品药品监督管理局正在寻求的强大非动物模型和新方法之一。”
解决动物实验的局限性
Esfandyar-pour解释说，该项目的起因是认识到结肠疾病临床前测试的局限性。他指出，几乎一半的啮齿类动物毒理学研究结果无法准确预测人体反应，而动物模型常常忽略人体肿瘤生物学的关键方面。这些研究成本高昂，通常需要数百万美元并耗费数年时间。
“我们的集成生物电子学3D-IVM-HC模型解决了部分动物研究在实践和伦理上的挑战，提供了一种基于人体细胞、无动物的方案，能够实现快速、成本效益高且可扩展的转化研究，”Esfandyar-pour表示。“通过消除物种间差异，该模型有能力提高临床可转化性，为临床前研究提供加速且符合伦理的路径。”
该模型使用明胶甲基丙烯酸盐（gelatin methacrylate）和海藻酸盐（alginate）支架构建，模仿结肠的软组织。人体结肠细胞覆盖内表面，而嵌入外层的成纤维细胞帮助再现器官的活体环境。“这种精细的结构安排促进了强健的细胞间相互作用，使细胞密度比传统二维培养增加四倍，并可能增强生理相关性和屏障功能，”Esfandyar-pour解释道。
在药物测试和个性化医学中的应用
使用化疗药物5-氟尿嘧啶（5-fluorouracil）进行测试显示，模型中的癌细胞表现出更高的药物耐受性——达到与传统培养皿相同效果所需剂量几乎增加了10倍。这一结果与实际患者肿瘤的耐药性一致，表明该模型在临床前药物筛选方面具有更高准确性。
该模型还支持患者特异性应用。研究人员设想可从活检样本培养个性化微型结肠，以评估哪种治疗方案对个体患者最有效。整个过程——培养两周、测试几天——为动物实验提供了一种更快速、低成本且保持生理真实性的替代方案。
“医院和实验室最终可能使用这样的模型对新疗法进行临床前测试，以符合伦理、及时地评估疗效，可能改变药物开发流程，”Esfandyar-pour补充道。他指出，这项工作有望提高预测准确性，推进机制研究，并加速精准药物发现。
3D打印个性化药物：医疗的未来
加州大学在制药行业个性化治疗的大趋势中处于有利位置。2023年，该校利用MED-U模块化3D打印机推进按需个性化治疗。与尼姆大学医院中心（University Hospital Center of Nîmes）等机构合作，MB Therapeutics正在开发针对儿童患者的定制药物方案。这一方法有助于减少剂量错误，并改善患者及家庭生活质量。
另一个例子是英国生物技术公司FabRx，其正在探索在社区药房中使用3D打印自动化胶囊填充。他们的2025年研究旨在解决手工配药效率低下及潜在人为错误的问题。通过半固体挤出（SSE）技术，FabRx的3D打印机可提供更准确的剂量和更高的一致性。
此外，德国马克斯·普朗克信息学研究所（Max Planck Institute for Informatics）与加州大学戴维斯分校（UC Davis）的研究人员开发了一种3D打印工艺，可将药片制作成特定形状以控制药物释放速率。这项技术为更精准的药物输送提供了新可能性，相较传统方法具有显著优势。
