在生物醫學研究領域，藥物研發一直是備受矚目的焦點。傳統的藥物研發主要依賴動物模型，但這種方式存在諸多問題。動物模型難以精準模擬人體對藥物的反應，在毒理學和病理生理學方面的差異尤為明顯，導致大量藥物在臨床試驗階段失敗，耗費了大量的時間、資金和人力。據統計，新藥臨床試驗往往需要10-15年，成本高昂，且多數臨床候選藥物因安全性、藥代動力學特性和療效不佳等問題而夭折[1,2]。
與此同時，傳統的二維（2D）細胞培養雖然應用廣泛，但它無法真實反映體內復雜的細胞微環境，在預測臨床試驗結果方面表現欠佳[3]。為了突破這些困境，三維（3D）細胞培養技術應運而生，尤其是基于患者來源細胞的3D培養技術，為藥物研發帶來了新的希望[4,5]。
多種細胞打印設備已被開發用于生成3D細胞培養微陣列。其中，I.DOT非接觸式移液系統在細胞打印中發揮了重要作用。它能夠在納升至微升的范圍內，非接觸式地將液體從源頭轉移到目標板，具有極低的死體積（<1 μL）和零交叉污染風險，為細胞培養提供了高精度和安全性。同時，I.DOT搭載的DropDetection系統，可對每個液滴進行計數和檢測，確保實驗的可重復性和可靠性，提高實驗效率。
以基于可編程液滴融合技術的多球狀細胞結構組裝（proMAD方法）為例，I.DOT非接觸式移液系統是該方法的核心技術之一。在制備細胞球體時，它將細胞懸液以精確的體積分配到液滴微陣列（DMA）平臺上。例如，在制備HepG2細胞球體時，可將細胞懸液以200 nL的液滴形式通過I.DOT分配在DMA上，通過控制每個液滴中的細胞數量來調節球體直徑。隨后，利用可編程液滴融合技術，通過I.DOT向相鄰液滴添加額外體積的細胞培養基，使液滴融合，實現多個同型或異型球體的融合，形成雙球體、多球體和異質球體等各種多球體結構，為研究細胞-細胞通信和相關生物過程提供了有效模型。
除了 I.DOT，噴墨打印也是常用的細胞打印方法，分為熱噴墨打印和壓電噴墨打印[6]。熱噴墨打印通過局部加熱使溶液形成氣泡，推動液滴噴出，可實現納升級打印，適合高通量研究細胞反應[7]。壓電噴墨打印利用壓電材料在電信號作用下的機械運動推動流體，能與多種3D細胞培養格式結合，適合打印高粘度材料[8]。
電磁閥輔助打印通過電磁閥在電磁力作用下開啟噴射液滴，可精確控制液滴大小和體積，廣泛應用于構建不同細胞類型的3D模型[9]。聲控打印利用聲波產生壓力轉移液體，已成功用于生成3D腫瘤球體并進行藥物篩選[10]。
過去十年間，多種3D細胞培養微陣列技術不斷涌現。這些技術借助水凝膠基質、3D懸滴、液體覆蓋等多種方式，為細胞提供了更接近體內環境的培養條件[11,12]。微陣列平臺非常適合高通量篩選，可用于評估藥物毒性、療效、靶點結合和基于細胞的表型分析等多種生物學結果。
在基于微陣列的3D細胞培養中，I.DOT技術也有應用潛力。其精確的液體分配能力有助于在微陣列上形成均勻的細胞分布，提高實驗的準確性和可重復性。例如，在進行藥物組合篩選時，I.DOT可以將不同的藥物和細胞精確分配到微陣列的各個位點，確保每個實驗位點的條件一致性，從而更準確地評估藥物組合的效果。
微流體技術起源于20世紀90年代的半導體制造技術，如今在生物醫學領域得到了廣泛應用[13]。微流體灌注裝置通過精確控制微升-皮升級別的流體流動，在尺寸為幾十到幾百微米的通道網絡中，為細胞提供持續的營養供應、廢物清除，并維持穩定的氧氣、二氧化碳、pH和溫度環境，實現了長期的3D細胞培養。
微流體裝置可通過無支架或ECM嵌入的方法使目標細胞聚集形成球體[14]。這使得芯片上的球體能夠開發到芯片上的人平臺（圖1）。無支架的3D細胞球體可通過強制漂浮法、懸滴法或攪拌法等在懸浮液中生成[15]，這些球體能夠分泌自身的ECM，形成更接近體內細胞行為的3D細胞構建體。微流體網絡的互連性使得不同細胞類型能夠通過控制流體流動相互連接，模擬體內環境，適用于構建多種復雜的3D細胞模型，如微血管網絡模型[16] 、干細胞衍生的腦模型[17]、3D肝臟球體模型以及器官芯片和人體芯片等[18,19]。
圖1. 體外模擬人體病理生理學的微流體灌注裝置?？赏ㄟ^將細胞培養基連續供應到3D細胞聚集體中來建立芯片上的球體[20]。為了模擬“體內”類特征，芯片上器官可以通過共培養各種細胞（例如，癌細胞和內皮細胞）與ECM[14]。各種器官芯片的互連可以模擬人體循環系統（芯片上的人體），這可以增強生理相關性[21]的報告。芯片上的球體更有利于高通量藥物篩選，但生理相關性較低，而芯片上的人更具有生理相關性，可用于藥代動力學和藥效學，但固有的通量較低。
傳統癌細胞系培養方法存在局限性，會對細胞產生選擇壓力，導致培養的細胞無法準確代表原始腫瘤的生長特征[22]。而使用化學限定培養基、基于ECM的類器官培養方案和3D共培養方法，能夠更好地維持患者來源細胞的遺傳和表型特征，使其更接近原始腫瘤[23,24]。
利用微陣列或微流體裝置進行患者來源的3D細胞培養（如球體或類器官培養），可以大規模開展藥物組合篩選，有助于為個體患者確定最佳藥物組合（圖2）。I.DOT技術在這一過程中，憑借其精確的液體分配和低交叉污染的優勢，能夠更好地處理珍貴的患者來源細胞。例如，在將患者來源的細胞接種到微陣列或微流體裝置時，I.DOT可以確保細胞均勻分布且不受污染，提高實驗的可靠性，為個性化醫療提供更準確的依據。
圖2. 使用患者來源細胞進行藥物組合篩選的小型化3D細胞培養的示意圖?？梢韵瘉碜曰顧z的組織以釋放隱窩和小細胞簇，其可以直接應用于微陣列或微流體裝置[25]或用3D細胞或類器官培養方案進一步擴增。擴增的細胞可用于使用用于高通量藥物組合篩選的微陣列或微流體裝置產生微類器官[26]。
患者來源的異種移植（PDX）模型是一種重要的體內3D細胞培養模型，通過將患者腫瘤碎片直接植入免疫缺陷小鼠體內構建而成[27]。PDX模型能夠保留腫瘤的異質性和組織病理學特征，在細胞-細胞相互作用方面與腫瘤微環境高度相似，因此其對抗癌藥物的反應與臨床反應具有較高的相關性[28]，最重要的是，PDTX有可能降低癌癥藥物發現和開發中的損耗率[29]。然而，由于成本高昂和動物福利等問題，PDX模型在高通量藥物研究中的廣泛應用受到限制，而且在使用過程中，腫瘤細胞在異源宿主中的功能可能發生變化，導致原始腫瘤異質性難以完全保留。
組合藥物治療能夠提高藥物療效、降低單個藥物劑量，通過作用于不同的靶點和信號通路，減少不良反應[30]。為了篩選出具有協同作用的藥物組合，研究人員開展了高通量藥物組合篩選。將其與患者來源的3D細胞培養相結合，能夠更準確地評估藥物組合的療效和毒性[23]在高通量組合藥物治療篩選中，I.DOT技術可助力實現自動化的藥物分配和細胞處理。其搭載的DropDetection系統能夠實時監測液體轉移情況，保證實驗的準確性和可重復性，加快藥物篩選的速度，提高研究效率，為發現更多有效的藥物組合提供支持。
通過上述技術方法，研究人員取得了一系列令人矚目的成果。在藥物篩選方面，能夠更準確地評估藥物的療效和毒性，發現了多種具有協同作用的藥物組合，為臨床治療提供了更多選擇。在個性化醫療領域，基于患者來源細胞的3D培養技術能夠更好地預測個體對藥物的反應，為制定個性化的治療方案奠定了基礎。
然而，目前這些技術仍面臨一些挑戰。微流體裝置在提高生理相關性的同時，其復雜性增加，導致通量降低；微陣列平臺在處理高粘度細胞支持支架時存在困難。此外，如何更好地整合不同技術，提高3D細胞培養模型的穩定性和可重復性，以及如何將研究成果更有效地轉化為臨床應用，都是未來需要深入研究的方向。
未來，隨著技術的不斷發展和創新，3D細胞培養技術有望在藥物研發和個性化醫療領域發揮更大的作用。結合患者特異性的遺傳和代謝異質性，開發更有效的體外模型，將為攻克復雜疾病提供更有力的支持。同時，高通量技術的進一步發展，也將加速藥物篩選的進程，推動精準醫學的發展。而I.DOT技術憑借其獨特的優勢，有望在未來的研究中發揮更加重要的作用，為生物醫學研究帶來更多突破。
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