Fluolab类器官驱动的纳米医学平台开发
摘要
类器官模型与纳米药物递送系统的整合，通过实现更准确、高效和生理相关的治疗效果评估，为药物发现和个性化医疗提供了一种新颖的方法。类器官是由干细胞或成体干细胞在体外培养的三维（3D）细胞结构，能够模拟人体组织的结构和功能。与传统的二维（2D）细胞培养相比，它为疾病建模、药物筛选和毒性测试提供了更准确的平台。与此同时，纳米药物递送系统因其能够增强药物稳定性、控制药物释放以及靶向特定组织的能力，在药物研究领域受到了广泛关注。类器官技术与纳米医学平台的结合，在推动药物开发和改进个体化治疗策略方面具有巨大潜力。本综述旨在总结类器官驱动的纳米医学平台的最新进展，探讨其在药物筛选、毒理学评估和个性化医疗中的应用，并讨论这一新兴领域面临的挑战和未来发展方向。
关键词
类器官；纳米医学；靶向递送；药物筛选；毒理学评估；个性化医疗
关键要点
与传统2D培养相比，类器官为模拟人类疾病和测试药物提供了更准确的平台。
将纳米医学与类器官整合，可增强靶向药物递送并改进治疗评估。
患者来源的类器官能够实现个性化的药物测试和量身定制的治疗策略。
在预测癌症药物反应和测试新疗法方面，类器官模型为动物实验提供了更优越的替代方案。
必须解决规模化和标准化等挑战，才能充分发挥类器官和纳米医学的潜力。
1. 引言
类器官技术的快速发展彻底改变了生物医学研究领域。类器官是由干细胞或成体干细胞（ASCs）衍生的三维（3D）细胞结构，能够在体外重现人体组织的结构、细胞异质性和功能。类器官的概念在21世纪初开始形成，其基础研究包括Sato等人开发的肠道类器官，这些类器官由Lgr5+干细胞培养而成，并成功复制了肠道的隐窝-绒毛结构。这是一项突破性的成就，展示了干细胞在3D环境中的自组织能力。另一个里程碑发生在2013年，Lancaster等人使用诱导性多能干细胞（iPSCs）开发了脑类器官，它紧密模拟了人类早期大脑发育，并为小头畸形等神经发育障碍提供了见解。随后的进展包括创建用于模拟代谢性疾病的肝脏类器官、用于肾毒性筛选的肾脏类器官以及模拟肺泡结构以研究包括SARS-CoV-2在内的呼吸道感染的肺类器官。这些由细胞外基质（ECM）支架、生长因子组合和生物反应器系统的创新所促成的突破，已将类器官技术提升为一个用于基础研究和转化医学的多功能平台。如今，类器官被广泛用于模拟人类发育、研究疾病病理生理学以及探索再生医学，提供了传统二维（2D）培养系统无法实现的空前见解。
纳米药物递送系统已成为现代药物开发中的一种变革性方法，解决了传统疗法长期面临的挑战，如溶解性差、代谢降解快、非特异性分布和剂量限制性毒性。利用脂质体、聚合物纳米颗粒、树枝状聚合物和脂质基纳米结构等纳米级载体，纳米医学通过包裹活性药物成分，保护其免于过早降解，并实现可控释放以获得持续的治疗效果，从而提供了显著优势。脂质体制剂如Doxil是美国食品药品监督管理局（FDA）批准的第一种纳米药物，已在癌症治疗中显示出改善的药代动力学和降低的心脏毒性。同样，聚合物纳米颗粒在递送疏水性化疗药物（如紫杉醇）方面显示出潜力，增强了溶解度和生物利用度。除肿瘤学外，纳米医学在解决复杂的治疗需求方面也发挥了重要作用，包括向中枢神经系统（CNS）的靶向药物递送，以及在关节炎和肺纤维化等疾病中改善向炎症或纤维化组织的药物递送。然而，这些进展常常因临床前评估严重依赖动物模型而受阻，由于药物代谢、免疫反应和疾病进展的物种间差异，动物模型常常无法准确预测人类的反应。小鼠模型中的有希望的结果往往不能转化为临床成功，这在许多针对炎症和神经退行性疾病的纳米颗粒疗法中都有体现。这种转化差距凸显了对生理相关的人类模型的迫切需求，而类器官已成为一种强大的替代方案。2025年4月，FDA宣布将逐步摆脱传统的动物实验，认可类器官和器官芯片技术用于药物安全性评估，并优先考虑创新的测试策略。类器官作为与人类相关的3D模型，提供了一种符合“替代、减少和优化”（3R原则）的有前途的替代方案。类器官为纳米医学研究提供了几个独特的优势。肝脏类器官可用于评估纳米颗粒引起的肝毒性和代谢稳定性，而肠道类器官则提供了一个研究药物吸收和纳米颗粒与肠道上皮相互作用的平台。此外，源自患者活检的肿瘤类器官在预测纳米药物疗效和精准肿瘤学中的耐药机制方面显示出巨大潜力。与传统的2D培养不同，类器官保留了组织结构、细胞间信号传导和细胞异质性，使其成为在模拟人体的环境中测试纳米医学安全性和有效性的理想选择。将这些纳米载体与类器官模型整合，并不意味着将纳米颗粒作为递送载体物理性地并入类器官中；相反，它指的是使用类器官作为先进的体外平台，以评估纳米药物制剂的药代动力学、治疗效果和潜在毒性。通过将纳米药物递送系统与类器官平台相结合，研究人员可以弥合临床前研究与临床试验之间的转化差距，减少对动物模型的依赖，并加速有效靶向疗法的开发。
本综述聚焦于类器官技术与纳米医学平台的整合，突显其在药物开发和个性化医疗中的变革潜力。通过总结类器官驱动的纳米医学系统的最新进展，本文旨在阐明其在药物筛选、毒理学评估和量身定制的治疗策略中的应用（图1）。此外，它还探讨了该领域的挑战与机遇，为这些创新平台的未来发展及其对精准医疗的影响提供了见解。
图1. 类器官驱动的纳米医学平台开发。 整合类器官技术与纳米药物，用于体外筛选和个性化治疗。
2. 类器官技术
类器官技术依赖于干细胞自组织和分化成3D结构的神奇能力，这些结构能够复制人体器官的细胞结构和功能。这一过程涉及多个组成部分的整合，包括干细胞来源的选择、ECM材料的选择、特定分化诱导因子的应用以及先进3D培养系统的开发（图2）。这些因素旨在复制人体组织的体内环境。
图2. 类器官技术：组成与构建方法。 类器官技术概览，包括干细胞来源、ECM材料、信号通路、诱导因子、构建方法和3D培养系统。这些组成部分的整合使得生理相关的类器官模型的生成成为可能。
2.1. 干细胞来源
最佳干细胞来源的选择是类器官工程中的基础决定因素，它严重影响最终模型的发育轨迹和功能应用。目前的方法主要利用两类不同的干细胞：多能干细胞（PSCs）和成体干细胞（ASCs），每种都表现出独特的生物学特性和实验用途。PSCs，包括胚胎干细胞（ESCs）和iPSCs，展示了无与伦比的发育可塑性。ESCs从囊胚期胚胎中分离，具有无限的自我更新能力和三系分化潜能，能够稳定地生成复杂的类器官系统，包括脑、肝、肾、肠和胰腺模型。通过特定转录因子对体细胞进行重编程实现的iPSCs技术，彻底改变了该领域，它在保持同等的多能性的同时，规避了与ESCs利用相关的伦理争议。这一突破促进了患者特异性类器官平台的建立，对于模拟遗传性病理和进行精准药物筛选尤其有价值。相反，成体干细胞（ASCs）通过其固有的谱系承诺提供了组织特异性的优势。ASCs从成熟器官的特定微环境（肠隐窝、肝管、胰管）中获取，固有地保留了组织特异性的表观遗传印记和微环境记忆。虽然与PSCs相比，其分化范围受限，但ASC衍生的类器官在模拟其来源组织的结构保真度和功能成熟度方面表现更优。这种内在的生物学记忆使得ASCs在研究组织特异性病理生理学和开发个性化再生疗法方面尤其具有优势。Sato等人的开创性工作例证了这种方法，他们建立了从鼠类和后来的人类ASCs生成肠道类器官的可重复方案，后来又扩展到肺、胃和呼吸道模型。PSCs和ASCs平台之间的战略选择取决于实验目标：PSCs为多谱系器官发生提供了广阔的发育潜力，而ASCs则能精确重现天然组织的微环境。这种二分法强调了在类器官研究中进行假设驱动的来源选择的必要性，平衡发育可塑性与组织特异性，以优化模型的有效性和转化相关性。重要的是，干细胞来源的选择也影响类器官对纳米医学评估的适用性。PSC衍生的类器官为模拟多谱系间的全身性纳米颗粒相互作用提供了灵活性，而ASC衍生的类器官则为评估组织特异性纳米载体的摄取、分布和毒性提供了高度特化的微环境。
2.2. 细胞外基质材料
类器官的形成和成熟关键依赖于ECM，它提供了一个3D支架，复制了天然组织环境的结构、生化和机械特性。天然ECM材料如Matrigel被广泛使用，因为它源自Engelbreth-Holm-Swarm肉瘤，并含有层粘连蛋白、IV型胶原蛋白和各种生长因子的复杂混合物。这种成分为细胞粘附和空间组织提供了支持环境。然而，Matrigel的固有局限性，包括批次间差异、有限的机械强度和肿瘤来源，给可重复性和临床转化带来了挑战。为解决这些问题，已开发出胶原蛋白、纤维蛋白和海藻酸盐等替代性天然材料。胶原水凝胶促进骨骼肌类器官中的肌纤维形成和收缩性，而纤维蛋白则增强肝脏类器官中的血管生成和代谢活动。海藻酸盐具有离子响应性凝胶特性，能够实现机械定制，并已被用于支持神经类器官的发育，提高了尺寸均匀性并促进了髓鞘形成。
与此同时，合成ECM材料的开发提供了对关键参数（如刚度、孔隙率和生化信号）的高度可调性。基于聚乙二醇（PEG）的水凝胶因其模块化设计和与光聚合技术的兼容性而引起了特别关注，能够实现对交联密度的亚微米级控制。这些特性允许创建定制的机械微环境，指导干细胞的命运决定，例如在增加的刚度下促进成骨分化。材料化学的创新也使得能够响应酶促信号或机械力的动态ECM系统成为可能。例如，通过转谷氨酰胺酶交联的PEG水凝胶表现出酶响应性降解，模拟了骨髓微环境，并支持造血干细胞在较长时间内的迁移和功能。用仿生肽进行功能化可以进一步增强类器官的血管化，而静电纺丝和微流控制造的具有排列纤维的支架则改善了心脏模型中的收缩性。
生物工程ECM系统将天然基质的生物复杂性与合成平台的精确性相结合，允许对类器官微环境进行阶段特异性调节。这些复合材料支持了类器官在血管化、结构保真度和长期功能维持方面的重大进展。例如，当心脏类器官在富含粒细胞集落刺激因子（G-CSF）的ECM和胶原蛋白的水凝胶中培养时，它们表现出增强的3D组织。这种环境通过支持组织发育所必需的相互作用，促进了更好的血管网络形成。同样，耳蜗类器官培养也受益于具有可调刚度的ECM系统，揭示了基质力学对感觉上皮发育的直接影响。随着该领域的进展，生物工程ECM有望成为类器官技术的核心，提供可定制、生理相关的微环境，支持复杂组织发育，并使其在疾病建模、药物筛选和再生医学中得到应用。ECM影响纳米颗粒在类器官内的渗透、分布和细胞摄取，从而影响毒性和功效评估的准确性。可调的ECM系统使研究人员能够模拟组织特异性屏障，更好地理解纳米药物在复杂生理环境中的行为。
2.3. 类器官构建方法
类器官的构建策略可大致分为无支架和基于支架的方法，每种方法在重现组织复杂性方面都有其独特的优势。细胞自组装是一种无支架方法，它利用细胞固有的组织能力形成结构化的3D组织。在特定细胞因子的顺序暴露引导下，干细胞和祖细胞经历空间调控的分化，从而形成形态和功能上相关的类器官。这种方法保留了生理特征，包括细胞间相互作用、旁分泌信号和机械转导。值得注意的是，间充质干细胞（MSCs）和iPSCs已被用于通过自组装生成骨关节类器官，而PSCs则被引导在体外形成骨和软骨组织。然而，自组织的随机性常常导致异质性并限制空间精度，给可重复性和临床转化带来了挑战。营养和氧气扩散的限制也可能导致功能分区和非预期的细胞群。实际上，无支架的类器官组装通常由悬滴法等方法支持，该方法通过重力诱导的聚集实现球状体形成，以及微孔阵列，它提供均匀的物理约束以促进尺寸可控的自组织。例如，液滴微流控技术被用于连续生成载有细胞的微胶囊，促进细胞增殖、自我收缩和类器官自组织，从而实现了结构完整的肝脏类器官的大规模生产。这些平台因其简单性、可扩展性以及与高通量应用的兼容性而被广泛使用。
基于支架的策略通过引入模仿天然ECM的生物材料来提供更大的结构控制，促进细胞粘附、增殖和分化。理想的支架应具有适当的机械强度、生物相容性、可降解性和孔隙率，以支持组织再生。表面功能化和动态培养系统等技术可以进一步增强细胞与支架的相互作用。例如，具有可调刚度的丝素蛋白-DNA水凝胶支架已被用于诱导骨髓间充质干细胞（BMSCs）的软骨形成。然而，传统支架通常缺乏模拟天然组织组织所需的微观结构异质性，例如肝小叶的带状结构，并且无法再现对组织功能至关重要的动态机械信号。微流控平台越来越多地用于基于支架的类器官培养，以实现对流体流动、营养梯度和机械力的精确控制。这些系统不仅支持在灌注下类器官的长期维持，还促进了分区共培养和对生长及药物反应的实时监测。
为了解决这些局限性，3D生物微球和生物打印技术已成为构建复杂、分区化类器官系统的强大工具。生物微球提供了一个高通量、生理相关的3D环境，支持多细胞共培养和器官特异性结构。特别是核壳设计，能够实现对微环境的空间控制，这在乳腺癌转移和肾小球形态发生的模型中得到了证明。这些微球还可以集成到3D生物打印平台中，促进具有增强再生潜力的高细胞密度构建体的制造。尽管前景广阔，但向微球内部的营养和氧气输送的局限性仍然是一个重要问题。
3D生物打印的进步通过允许对细胞、生物材料和信号分子的精确空间 patterning，进一步扩展了类器官工程的设计空间。通过微调生物墨水成分、打印分辨率和温度等参数，可以生成结构坚固、生物学功能性的构建体。由甲基丙烯酸明胶、甲基丙烯酸海藻酸酯和羟基磷灰石组成的生物打印支架已支持成骨分化和骨类器官的形成，具有有序的细胞排列和增强的矿化。此外，生物打印能够动态调节微环境，引导神经轴突取向、肿瘤细胞迁移以及包括肝、肠和肺在内的多种类器官类型的组织形态发生。功能性肝组织模型已显示出打印后细胞活力的提高和肝脏特异性功能的维持。类器官构建方法的选择，包括无支架方法、基于支架的系统以及微流控和生物打印等混合平台，直接影响类器官的发育和功能。不同的方法影响着类器官的成熟度、结构稳定性和其在实验应用中的有效性等因素。这些多样的类器官构建方法也影响了它们在纳米医学评估中的适用性。无支架系统保留了自然的细胞相互作用，可以揭示真实的纳米颗粒摄取和细胞内运输；而基于支架和生物打印的类器官提供了可控的结构，非常适合研究扩散梯度、靶向递送和纳米疗法的组织渗透。将生物打印与微球平台相结合，可以进一步实现对纳米医学在确定组织区室内的功效和毒性的空间分辨分析。
2.4. 信号通路和诱导因子
类器官的形成依赖于信号通路和诱导因子的精确时间协调，它们引导干细胞经历分阶段的分化过程，以模仿体内的器官发生。其中，Wnt信号通路对于维持干细胞多能性和启动谱系特化至关重要，特别是在肠道类器官中，它驱动Lgr5+干细胞的自我更新。Notch信号通路是一种通过细胞间接触激活的保守机制，通过调节基因表达来调控干细胞维持和谱系特化，从而指导肠道和胰腺等类器官中的上皮分化和细胞类型组成。Hedgehog (Hh)信号通路调控干细胞命运、组织 patterning 和类器官模型的形态发生，在肺类器官中指导前肠发育，在脑类器官中指导背腹侧神经特化，并通过与Notch和Wnt通路的串扰，在肝脏类器官中指导肝细胞-胆管细胞分化。骨形态发生蛋白信号通路通过调节转录程序以及与Wnt、Notch等通路的相互作用，调控细胞分化、组织 patterning 和类器官结构，促进心脏、胃肠道和视网膜类器官中的谱系特化。
成纤维细胞生长因子（FGFs）通过受体介导的信号传导，在类器官发育过程中协调细胞命运决定、组织 patterning 和形态发生，支持脑类器官中的皮层组织，并指导肾脏类器官中的结构分化。转化生长因子-β（TGF-β）的激活或抑制根据具体情境进行精细调节，指导肝、胰腺和肾类器官中的中胚层和内胚层分化，而在神经诱导过程中抑制TGF-β则促进脑类器官中的外胚层谱系承诺，从而能够重建组织特异性结构和功能。血管内皮生长因子（VEGF）通过刺激内皮细胞增殖和血管网络形成，促进类器官中的血管生成和组织成熟，在心脏和乳腺癌类器官等模型中，通过与其他调控通路的相互作用，支持结构和功能发育。干细胞因子（SCF）通过激活c-Kit受体及其下游信号，促进类器官培养物中未分化状态的增殖、存活和维持，并与成纤维细胞生长因子（FGF）和胎盘生长因子（PlGF）等因子协同作用，支持胚胎干细胞扩增和造血细胞因子产生，同时防止细胞凋亡并促进细胞周期进程。总之，这些通路和因子形成了一个集成的调控网络，模仿了体内的器官发生，并能够精确控制类器官的发育和功能。这些信号通路和诱导因子影响细胞对纳米颗粒的反应。在类器官模型中研究这些相互作用，可以为了解纳米药物对特定组织或疾病的安全性和有效性提供见解。
2.5. 3D培养系统
类器官的成功构建依赖于先进3D培养系统的开发和应用，这些系统能有效复制发育中组织内的动态和支持性环境。这些系统必须提供必要的物理、生化和机械信号，以促进类器官的生长、分化和成熟。
2.5.1. 静态培养系统
静态培养系统是一种在固定条件下维持的细胞培养方法，通常用于研究细胞生长、分化和代谢特性。该系统的特点是条件相对稳定，缺乏流体流动或机械刺激。包埋技术是静态培养中最常用的方法。它涉及分离原代组织干细胞或收集干细胞，然后将其悬浮在Matrigel中，并以液滴形式滴加到组织培养板表面。一旦Matrigel凝固，便加入针对目标类器官的培养基，以及细胞因子和小分子，以诱导干细胞分化，直到形成成熟的类器官。静态培养系统是使用最广泛的方法之一，通常将干细胞或类器官前体包埋在ECM支架（如Matrigel）中，并在多孔板或培养皿中进行培养。这些系统易于获取、成本效益高且操作简单，使其成为小规模实验的理想选择。微型骨小梁类器官就是使用静态培养基质成功培养的。
然而，静态培养系统受限于无法产生足够的营养和氧气梯度，这可能限制类器官的大小和复杂性，常常导致较大结构核心出现缺氧条件和营养耗尽。此外，静态系统缺乏生物力学调控，包括机械刺激和剪切应力。这些因素已知会影响细胞骨架组织、促进谱系特异性分化，并增强发育中组织的结构和功能成熟度。这些力量的缺失会影响类器官的组织和结构完整性，使其无法发展出更接近体内的特性。此外，缺乏动态的细胞间相互作用是另一个限制。在静态培养中，细胞被隔离在基质内，不会经历活体组织中那样的细胞-细胞或细胞-微环境相互作用，从而限制了它们形成复杂组织结构的能力。没有流体流动和机械刺激，这些相互作用，包括信号通路和代谢交换，都会受到阻碍，这可能影响类器官的发育潜力。这些局限性强调了需要动态培养系统，以便更好地复制体内微环境，从而实现更复杂和生理相关的类器官模型。
2.5.2. 动态培养系统
动态培养系统通过引入流体动力学、机械力和精确的环境控制，为类器官发育提供了更具生理相关性的微环境。与静态培养相比，动态系统更有效地调节类器官的大小，促进结构化组织类型的发展，增强功能成熟，并为纳米医学评估创造了理想的平台。
旋转生物反应器： 旋转生物反应器是组织工程和细胞培养中使用的设备，旨在复制体内微环境以支持组织生长和功能恢复。通过促进动态流动条件，这些生物反应器增强了营养供应、废物清除和机械刺激，从而提高了组织工程过程的效率。为了克服静态培养系统的局限性，已经开发出像旋转生物反应器这样的动态培养系统。这些系统维持一个持续搅拌的环境，增强了氧气、营养物质和信号分子在整个类器官中的扩散，防止了缺氧并促进了更大、更具生理复杂性的类器官的生长。旋转生物反应器在生成脑类器官方面特别有效，支持了皮层等复杂脑样结构的发育。一个使用3D打印技术和预制组件创建的微型多孔旋转生物反应器，已成功用于培养源自iPSCs的前脑、中脑和下丘脑类器官。这些类器官在分子、细胞和结构层面有效地揭示了发育中人脑的动态特征。
微流控系统： 先进的微流控系统，通常被称为“器官芯片”，代表了类器官培养的前沿方法。这些平台将类器官与微工程设备集成，这些设备包含提供持续营养、氧气和废物清除流动的通道，紧密模仿了体内组织的灌注动力学。虽然传统方法可以实现多种细胞类型的共培养，但微流控系统独特地能够实现不同细胞类型（如内皮细胞或免疫细胞）在持续灌注条件下的精确空间排列和动态共培养。这种动态和空间控制促进了更具生理相关性的血管化，并允许在流动条件下研究复杂的细胞间相互作用和组织微环境。这些系统对于长期培养特别有价值，并且高度可定制，允许研究人员模拟特定的生理条件，如化学梯度、机械力或间质流。这种灵活性增强了类器官模型的 relevance 和生理准确性。一个微流控芯片被开发用于建立和监测间充质和胰岛球状体周围的内皮网络形成，以及在芯片上培养源自PSCs的血管类器官长达30天。该芯片成功地促进了血管内灌注，使血管结构能够与富含内皮的球状体和血管类器官形成功能性连接。微流控系统也有利于评估类器官模型内的纳米医学相互作用。通过创建复制生理条件的受控微环境，这些系统提供了一个研究纳米载体在3D组织模型中的摄取、分布和治疗效果的平台。
气液界面培养系统： 气液界面培养系统是一种细胞培养技术，它在细胞上方创造一个空气和液体之间的界面，模仿体内细胞与外部环境的相互作用。这种方法被广泛用于呼吸道上皮细胞、肠道上皮细胞及其他相关研究领域。此外，气液界面培养系统常用于代表上皮组织的类器官，如肺或胃肠道类器官。在这些系统中，类器官的基底侧浸泡在营养丰富的培养基中，而顶端侧则暴露于空气中，这与上皮组织的生理条件非常相似。这种设置促进了特殊上皮结构的分化和成熟，如肺类器官中的纤毛细胞和粘液分泌细胞，或肠道类器官中的隐窝-绒毛结构。气液界面平台对于涉及气雾化或口服递送途径的纳米医学研究高度相关。面向空气的表面为研究纳米颗粒的粘附、渗透和跨上皮屏障的运输提供了一个现实的界面。此类系统在研究纳米载体与粘膜组织的相互作用、药物吸收机制以及呼吸或消化模型中的潜在毒性方面发挥着重要作用。一个基于胶原蛋白的气液界面3D培养系统被用于整合上皮和间充质/基质成分，实现了胃肠道类器官的长期稳定3D培养。该系统使得原代胃肠道上皮能够稳定扩增超过60天，同时准确地重现了干细胞微环境。该系统对于研究上皮组织与纳米材料之间的相互作用也很有价值，能够研究纳米颗粒在上皮基类器官模型中的摄取和组织渗透。
总体而言，动态培养系统在多个维度上对类器官的发育施加全面的调控作用。它们增强了类器官的物理扩张和形态完整性，支持特定组织特性的建立，并促进具有明确细胞取向和分区的空间组织结构的出现。在功能层面上，这些系统促进了类器官特异性生理活动的成熟，包括分泌功能、代谢能力和生物电信号传导。此外，动态培养平台为纳米医学研究提供了一个先进且适应性强的基础。通过更准确地重现类似体内的微环境，它们能够精确评估纳米颗粒的行为，包括在复杂3D生物系统内的运输动力学、生物利用度和治疗结果。适当的动态系统的选择应与实验目标进行战略性对齐，无论是用于发育研究、病理生理建模，还是纳米治疗干预的转化评估。
2.6. 组织特异性方案
类器官的构建方案是根据每种器官类型精心定制的，旨在复制控制体内器官发生的复杂微环境和信号通路。这些方案能够生成与相应组织在细胞组成、空间组织和生理功能上高度相似的类器官。通过重现组织特异性分化和成熟所必需的精确发育信号和环境条件，这些方案确保了所产生的类器官能够紧密复制其体内对应物的结构和功能特征。尽管每种类器官类型存在多种构建方法，但这些方法的多样性凸显了类器官技术的多功能性和适应性。为清晰起见，我们为每种类器官类型选择了最具代表性的方案，并加入了时间线以强调它们在纳米颗粒药物筛选中的实际应用。有关不同器官类型的具体方案，请参阅表1。
表1. 针对特定器官类型的详细方案
| 类器官类型 | 细胞来源 | 信号分子 | 形成的结构 | 应用 | 成熟时间 | 参考文献 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 肠道类器官 | 肠道干细胞或iPSCs | Wnt、R-spondin和Noggin | 具有肠细胞、杯状细胞和潘氏细胞的隐窝-绒毛样结构 | 研究胃肠道生理学、病理学和药物反应 | 35天 | |
| 脑类器官 | iPSCs或神经祖细胞 | 双SMAD抑制，随后是神经营养因子（如表皮生长因子和碱性成纤维细胞生长因子） | 具有明显皮质层、神经元、祖细胞和胶质细胞的脑样结构 | 模拟神经发育障碍、大脑连接性和神经系统疾病 | 30天 | |
| 肝脏类器官 | iPSCs或肝祖细胞 | 骨形态发生蛋白和成纤维细胞生长因子 | 具有代谢和解毒功能的肝细胞的类器官 | 研究肝脏发育、疾病机制和药物诱导的肝毒性 | 45天 | |
| 肾脏类器官 | iPSCs | Wnt和成纤维细胞生长因子 | 包括肾小球、近端/远端小管和集合管的肾单位样结构 | 研究肾脏发育、先天性异常、肾毒性和再生疗法 | 25天 | |
| 肺类器官 | iPSCs | FGF10, 1% FBS (用于肺类器官) FGF7, CHIR-99021, ATRA (用于芽尖祖细胞类器官) | 具有间充质和肺泡祖细胞的气道样结构（肺类器官） 包含高度增殖性多能细胞的芽尖祖细胞结构（芽尖祖细胞类器官） | 研究肺发育、上皮-间充质相互作用、肺部疾病、再生医学、组织工程和药物测试 | 50-85天 | |
| 血管类器官 | hPSCs | VEGF-A, FGF-2, BMP-4, CHIR99021 (WNT激活剂) | 内皮细胞、周细胞、具有管腔的血管网络 | 研究血管生成、血管新生、血管疾病、药物测试、再生医学 | 15天 | |
| 耳蜗类器官 | iPSCs | Sonic Hedgehog (SHH), Wnt抑制剂 (IWP2) | 具有耳蜗形态的内、外毛细胞样结构 | 研究耳蜗发育、听毛细胞再生、听力损失治疗 | 22天 | |
| 心脏类器官 | hPSCs | CHIR99021, IWP2 | 心肌层（心肌细胞）、心内膜样细胞、前前肠内胚层（AFE）、血管样结构、间充质细胞、肝祖细胞 | 研究心脏发育、先天性心脏病建模、药物筛选、基因功能分析和再生医学 | 10天 |
3. 纳米药物递送系统概述
纳米药物递送系统是一个将药理学与纳米技术相结合的先进领域，旨在实现药物向靶向位点的精确递送。通过利用纳米材料和纳米级结构，该方法在提高药物疗效的同时最大限度地减少了副作用。它克服了传统递送系统的重大局限性，如溶解性差、生物利用度低、分布不均和全身毒性，为增强治疗效果提供了一个有前景的平台（图3）。
图3. 纳米药物递送系统概述。 纳米药物递送系统的核心设计原则包括三个关键要素：组分（治疗分子、表面修饰和载体）、特性（通过EPR效应的被动靶向、主动靶向、刺激响应性药物释放和诊疗一体化能力）以及载体类型（脂质基、无机、聚合物、纳米胶束、核酸和碳基系统）。这些策略的整合实现了精确的药物递送和多功能应用，凸显了其在靶向疾病治疗和诊断中的潜力。
3.1. 纳米药物递送系统的特性
基于纳米医学的药物递送系统具有区别于传统药物递送方法的独特特性。这些特性有助于其卓越的治疗效果、精确性和多功能性。
3.1.1. 增强渗透和滞留（EPR）效应
纳米级药物递送系统的治疗效果在很大程度上受其尺寸和理化性质的影响，通常范围在1到200纳米之间。这种纳米级尺寸提供了高的表面积与体积比，促进了与生物膜的相互作用，并通过内吞途径促进了细胞摄取。这些系统最重要的优势之一是其能够利用EPR效应，这是一种在肿瘤和炎症组织中常见的生理现象。EPR效应源于病理组织脉管系统和淋巴引流的结构和功能异常。在健康组织中，内皮连接受到严格调控，密集的血管网络限制了纳米颗粒的外渗。相比之下，肿瘤脉管系统的特点是结构不规则，包括200到2000纳米的高度渗透性内皮窗孔和受损的淋巴引流。这些不规则性使得纳米颗粒能够在肿瘤间质空间中被动积聚，由于清除率降低而滞留。这种被动靶向增强了药物在病变部位的浓度，同时最小化了全身暴露并减少了脱靶毒性。然而，EPR效应在不同肿瘤类型和阶段的可变性限制了其一致性。为了提高靶向精度，纳米颗粒可以用配体（如抗体或多肽）进行功能化，以选择性地与癌细胞上过表达的受体结合，实现主动靶向。此外，设计用于响应肿瘤微环境中酸性pH或酶活性等因素的刺激响应性纳米颗粒，进一步优化了药物释放控制。通过EPR效应的被动积聚和主动分子靶向的结合，显著增强了纳米级药物递送系统在癌症治疗中的精确性和有效性。
3.1.2. 通过表面功能化实现主动靶向
纳米药物递送系统可以通过表面功能化进行工程改造，以实现对特定组织或细胞的主动靶向。通过将抗体、多肽、适体或小分子等靶向配体共轭到其表面，这些系统能够选择性地与病变细胞上过表达的受体或独特的生物标志物结合。这种设计在提高药物疗效的同时，最大限度地减少了对健康组织的毒性和副作用。抗体因其能特异性结合肿瘤细胞表面受体的能力而常被用作靶向配体。例如，西妥昔单抗共轭的多糖酯纳米颗粒在小鼠模型中显示出增强的抗肿瘤效果。同样，透明质酸修饰的纳米颗粒可以靶向具有高叶酸受体表达的肿瘤。多肽因其尺寸小、易于合成和低免疫原性而成为理想的靶向配体。精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸（RGD）肽序列，能与整合素αvβ3结合，常用于血管靶向和肿瘤治疗。适体是具有高稳定性和结合特异性的小分子，也可以作为有效的靶向配体。例如，已开发出一种基于DNA适体的递送平台，通过特异性靶向疟原虫乳酸脱氢酶，用于疟疾的诊断和治疗。像叶酸这样的小分子药物可以被整合到纳米颗粒表面，以靶向表达叶酸受体的癌细胞。叶酸功能化的纳米颗粒已被证明能选择性地与这些受体结合，从而提高药物递送效率。此外，如聚乙二醇化（PEGylation）等表面修饰通过阻止单核吞噬细胞系统的识别和清除，增强了纳米颗粒的稳定性，从而延长了循环时间并提高了生物利用度。通过战略性地整合分子识别元件和药代动力学修饰剂，合理的纳米颗粒表面工程克服了生物屏障，使纳米药物能够实现治疗剂递送的空间控制。
3.1.3. 刺激响应性药物释放
纳米药物递送系统可以被设计成实现刺激响应性药物释放，即药物在响应特定环境信号（如pH、温度、光、酶活性或电磁场）时被触发释放。pH响应性纳米载体利用肿瘤的酸性微环境或溶酶体和内体内的低pH值，从而在作用位点实现靶向药物释放。温敏脂质体在暴露于局部高温时释放其载荷。光响应性纳米载体利用光，特别是近红外光，来触发药物释放。这些系统可以通过光热效应或光动力疗法（PDT）来控制药物递送，从而精确靶向病变组织，同时最大限度地减少对健康细胞的伤害。酶响应性纳米载体利用肿瘤微环境中的特定酶来释放药物。例如，某些纳米载体可以被设计成与肿瘤相关酶（如基质金属蛋白酶）相互作用，从而促进靶向药物释放。最后，电磁场响应性纳米载体允许在外部磁场的影响下释放药物。暴露于磁场会引起纳米载体的结构变化，从而触发其载荷的释放。磁性纳米载体与磁热疗的结合为癌症治疗提供了有希望的潜力。
3.1.4. 具备诊疗一体化能力的多功能性
纳米药物递送系统通过整合治疗和诊断能力，即所谓的诊疗一体化（theranostics），提供了多功能性。这些系统能够共同递送治疗剂和成像探针，从而实现对药物分布、治疗效果和疾病进展的实时监测。金纳米颗粒因其独特的光学和等离激元特性，是研究最广泛的诊疗一体化试剂之一。它们可作为有效的成像造影剂，并能通过在近红外光下产生热量来介导光热疗法。特别是聚乙二醇化的金纳米棒，表现出增强的光热性能和延长的全身循环时间，从而改善了肿瘤积聚和治疗精度。除了其治疗作用外，金纳米棒在治疗过程中会发出可检测的光学信号，便于同时进行成像和治疗。它们的表面还可以用抗体或多肽等生物分子进行功能化，以实现对癌细胞的靶向递送。光动力疗法（PDT）也得益于纳米技术的进步。光敏剂（PSs）在光激活时会产生活性氧（ROS），从而诱导肿瘤细胞死亡。纳米光敏剂的开发通过整合纳米级设计的优势，包括EPR介导的肿瘤积聚、表面功能化和可控形态，以及在特定靶向波长下改善的光吸收，增强了PDT的特异性和有效性。用靶向配体或抗体进行功能化，进一步提高了肿瘤选择性，同时最小化了脱靶效应。此外，许多光敏剂固有的荧光特性使得光动力诊断（PDD）成为可能，允许在治疗过程中对肿瘤边缘进行可视化和 delineation。除了传统的诊疗一体化，新兴的纳米药物正被设计用于靶向癌症干细胞样细胞。例如，Shi等人开发了一种由2,5-二羟基对苯二甲酸与锌离子配位组成的双功能纳米破坏剂，它能破坏肿瘤的铁和氧化还原稳态，产生协同治疗效果。在另一项研究中，Chen等人提出了一种基于双miRNA引导的自反馈DNA电路的智能纳米诊疗平台，能够检测低丰度的致癌miRNAs并同时释放治疗性miRNAs。一种P-选择素结合肽修饰的聚乳酸-羟基乙酸共聚物纳米平台，能够同时靶向并可视化溃疡性结肠炎中的炎症，为精确诊断和有效治疗提供了一个诊疗一体化系统，同时保护了肠道微生物群。通过在单一纳米平台内整合诊断和治疗，诊疗一体化系统实现了个性化和适应性的治疗策略，代表了精准肿瘤学的重大进步。
3.2. 纳米药物递送系统的组成部分
纳米药物递送系统通常由几个组成部分构成，包括药物载体、治疗剂和表面修饰剂。这些组分协同作用，以优化药物递送的精确性、有效性和安全性。
3.2.1. 药物载体
纳米药物递送系统的核心是药物载体，其作用是包裹、保护并将治疗剂运输至其指定靶点。这些载体可大致分为脂质基系统、聚合物纳米颗粒、无机纳米颗粒和混合系统。脂质基载体，如脂质体、固体脂质纳米粒（SLNs）和纳米结构脂质载体（NLCs），因其优异的生物相容性和包裹亲水性及疏水性药物的能力而被广泛应用。脂质体由磷脂双层形成，可在其水性核心中包裹亲水性药物或在双层膜内包裹疏水性药物。SLNs和NLCs提供了增强的稳定性和可控的释放特性。SLNs是由固体脂质（如脂肪酸酯和胆固醇）组成的纳米级颗粒，尺寸通常在10到500纳米之间。它们表现出高的物理稳定性，最大限度地减少了多晶型转变或重结晶，从而提高了药物的包封效率和可控释放。此外，SLNs具有显著的载药能力，能有效包裹多柔比星和紫杉醇等疏水性药物，并且其包封和释放特性可通过改变脂质成分和制备方法进行优化。聚合物纳米颗粒，通常由可生物降解和生物相容的聚合物如聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）和壳聚糖组成，被设计用于持续和可控的药物释放，从而降低毒性并改善结果，尤其是在慢性病管理中。在癌症治疗中，这些纳米颗粒通过优化循环时间、提高靶向特异性和减少耐药性来增强治疗效果。聚合物纳米颗粒在疫苗递送中也显示出潜力，它们可以作为疫苗抗原、蛋白质和药物的载体，从而改善免疫反应并防止抗原降解。无机纳米颗粒，包括金纳米颗粒、二氧化硅纳米颗粒和量子点（QDs），具有独特的理化性质，如高表面积、易于功能化以及光学或磁性特性。这些特性使它们在治疗递送和诊断应用中都极具价值。混合系统，它将有机材料（如脂质或聚合物）与无机组分结合，通过整合两种材料类型的优势，扩展了纳米载体的功能。这些系统提供了增强的稳定性、多功能性和治疗潜力。
3.2.2. 治疗分子
除了药物载体，治疗分子本身也是这些系统的基本组成部分。纳米药物递送系统能够递送广泛的治疗剂，包括小分子药物，如紫杉醇和多柔比星，它们因其强大的细胞毒性效应而常用于癌症治疗；以及生物制剂，如蛋白质、多肽和单克隆抗体，它们以高精度靶向特定通路。此外，基于核酸的疗法，包括小干扰RNA、信使RNA和CRISPR/Cas9系统，代表了一种调节基因表达和纠正基因突变的革命性方法。为确保特异性靶向并减少脱靶效应，纳米颗粒通常用靶向配体进行功能化，包括抗体、多肽、适体和小分子，它们能选择性地与病变细胞上过表达的受体或生物标志物结合。与叶酸共轭的纳米颗粒可以靶向叶酸受体，这些受体通常在癌细胞上过表达。双重或多重靶向策略也正在被探索，以解决病变部位的异质性问题，并通过同时靶向多个通路或受体来提高特异性。Chen等人开发了一种用于治疗脉络膜新生血管（CNV）的多靶点治疗性纳米颗粒药物。通过非共价相互作用共同组装抗血管生成剂尼达尼布和抗氧化剂叶黄素，他们创造了能够同时抑制血管生成、纤维化、炎症细胞因子和氧化应激的纳米颗粒。这种设计实现了持续且协同的多靶点治疗效果，旨在逆转与CNV相关的慢性炎症微环境。
3.2.3. 表面修饰
表面修饰剂是通过化学或物理相互作用附着在纳米颗粒表面的功能性分子或材料。它们的主要作用是通过调节纳米颗粒的界面特性来精确调控其理化性质。这种修饰不仅赋予纳米颗粒新的功能，还克服了其固有的局限性，从而优化了其在生物医学应用中的性能。表面修饰可以调整纳米颗粒的尺寸分布、表面电荷、亲疏水平衡以及生物识别能力，从而影响其与生物系统的相互作用机制。根据其功能和作用方式，表面修饰剂可以通过主动或被动靶向策略增强纳米颗粒的靶向效率。被动靶向依赖于纳米颗粒的理化性质（如尺寸和表面电荷），通过EPR效应在肿瘤组织中积聚。主动靶向是通过共价连接靶向分子（如抗体、适体或小分子配体）来实现特异性识别。叶酸受体在多种肿瘤细胞中过表达，使得叶酸修饰的纳米颗粒能够通过受体-配体结合实现高效的肿瘤靶向。此外，针对整合素靶向的RGD肽修饰增强了纳米颗粒对血管生成内皮细胞的识别。在生物相容性优化方面，未修饰的纳米颗粒容易被免疫系统识别和清除。表面修饰剂可以通过屏蔽疏水表面或调整电荷特性来降低免疫原性。PEG修饰通过形成空间位阻层减少了血浆蛋白的吸附，显著延长了纳米颗粒的血液循环半衰期。在稳定性增强方面，表面修饰剂通过静电排斥或空间稳定作用防止纳米颗粒聚集。羧甲基壳聚糖修饰通过负电荷排斥维持胶体稳定性，而多巴胺涂层的自聚合特性在纳米颗粒表面形成均匀的保护层，并提供了额外的功能化位点。此外，荧光标记物如异硫氰酸荧光素能够在药物递送过程中实现实时监测和成像。表面修饰显著增强了纳米药物递送系统的靶向能力和生物相容性，同时降低了毒性。表面修饰剂的设计和制备需要精确控制，以确保其功能性和稳定性。
3.3. 纳米药物递送系统的类型
纳米药物递送系统可以根据其组成、结构和功能进行分类。每种类型都旨在解决特定的治疗挑战并提高药物递送的效率。
3.3.1. 脂质基系统
脂质基系统是一类成熟且广泛使用的纳米药物，以其优异的生物相容性和能够包裹多种治疗剂而闻名。其中，脂质体作为能够包裹亲水性和疏水性药物的双层脂质囊泡尤为引人注目。疏水性分子被整合到脂质双层中，而亲水性药物则储存在水性核心中，这使得脂质体成为适用于广泛治疗药物的多功能载体。Doxil是一种多柔比星的脂质体制剂，已被批准用于癌症治疗。该制剂显著降低了全身毒性，延长了循环时间，并通过EPR效应增强了药物在肿瘤部位的积聚。固体脂质纳米粒（SLN）是另一种脂质基系统，由生物相容的固体脂质组成，对于水溶性差的药物尤其具有优势。它们提供了增强的稳定性、防止酶降解的保护以及可控的药物释放，使其成为解决药物递送中溶解性相关挑战的首选方案。纳米结构脂质载体（NLCs）结合了液体和固体脂质的优点，通常由液体脂质（如油酸、甘油三酯）和固体脂质（如硬脂酸、单硬脂酸甘油酯）组成。由于液体脂质的存在，NLCs提供了更大的载药能力，从而提高了药物的包封效率。此外，NLCs中的液体脂质成分使得药物释放速率的微调成为可能，从而实现更精确的可控释放。
3.3.2. 聚合物基系统
聚合物纳米颗粒由可生物降解和生物相容的聚合物（如PLGA、聚己内酯和壳聚糖）制成，是另一类重要的纳米载体。这些纳米颗粒被设计用于持续和可控的药物释放，确保了长期的治疗效果并减少了频繁给药的需求。通过调整聚合物的组成和分子量，可以精细调节聚合物纳米颗粒的降解速率和药物释放曲线，使其成为治疗慢性病的理想选择。聚合物纳米颗粒作为多种疾病的药物递送系统，已显示出显著的多功能性。通过优化其理化性质，包括粒径、表面特性和载药能力，可以精确地定制它们，以有效靶向和治疗特定疾病。例如，PLGA纳米颗粒已被广泛研究用于递送抗炎药物和化疗剂。它们促进了靶向递送，降低了全身毒性，并增强了治疗效果。此外，表面修饰，如PEG涂层，可用于延长循环时间并减少免疫系统的快速清除。在治疗神经退行性疾病和其他复杂疾病方面，聚合物纳米颗粒通过改善药物的生物利用度和稳定性，提供了新的策略。基于壳聚糖的纳米颗粒，以其生物相容性和可调的化学功能性而闻名，已被广泛用于非肠道给药途径。
3.3.3. 纳米胶束基系统
纳米胶束是由两亲性分子在水性环境中自组装成核-壳结构的一类重要纳米载体。疏水性核心有效包裹亲脂性药物，而亲水性外壳确保了在生物系统中的稳定性，提供了增强的稳定性和延长的循环时间。纳米胶束在递送水溶性差的药物方面特别有效，因为它们能提高溶解度和生物利用度。此外，它们的小尺寸和高载药能力使其能够通过EPR效应在肿瘤组织中积聚，这使它们在癌症治疗中尤为有效。
3.3.4. 无机系统
无机纳米颗粒具有独特的性质，使其非常适用于治疗和诊断应用。例如，金纳米颗粒具有优异的生物相容性、高表面积可供功能化，以及独特的光学和等离激元特性，使其成为光热疗法和药物递送的理想选择。在光热疗法中，金纳米颗粒吸收光并将其转化为热量，选择性地消融肿瘤组织，同时保护健康细胞。二氧化硅纳米颗粒，特别是介孔二氧化硅纳米颗粒，因其多孔结构、高表面积和可调的孔径，提供了一个多功能的平台。这些特性使其能够包裹广泛的药物，包括小分子和生物制剂。介孔二氧化硅纳米颗粒常用于诊疗一体化，它们结合了诊断成像和治疗递送，能够同时监测和治疗疾病。量子点（QDs）因其独特的光学性质，如宽激发光谱、窄发射光谱和可调的发射波长，在生物医学领域有广泛应用。QDs常用于蛋白质和核酸的荧光标记，实现高灵敏度检测。它们还作为生物成像探针，能够在活细胞中进行单分子追踪和细胞内动态研究。此外，QDs还被用于快速诊断和免疫分析，如抗体标记的QDs用于检测特定抗原。
3.3.5. 核酸递送系统
核酸递送系统已成为克服遗传和分子疗法中挑战的重要工具。这些系统专门设计用于递送精细的基于核酸的疗法，如小干扰RNA（siRNA）、信使RNA（mRNA）和基因编辑工具如CRISPR-Cas9。例如，脂质纳米颗粒已成功用于递送COVID-19疫苗中的mRNA，展示了纳米技术在医学中的临床潜力。这些递送系统保护核酸免受酶降解，增强细胞摄取，并促进细胞内释放，从而能够在分子水平上精确调节基因表达和治疗遗传性疾病。病毒载体系统，包括腺相关病毒、腺病毒和慢病毒，常用于基因编辑和药物递送。这些病毒载体能有效地将基因编辑工具或治疗剂递送至靶细胞。聚合物纳米颗粒通过物理吸附或化学修饰核酸，可以保护它们免受降解并提高细胞内递送效率。这些系统在siRNA和mRNA的递送中表现出优异的性能。
3.3.6. 碳基系统
碳基纳米载体，如碳纳米管（CNTs）和氧化石墨烯（GO），因其独特的结构、电子和光学性质而引起了广泛关注。碳纳米管以其空心圆柱结构为特征，为疏水性药物提供了高负载能力，而氧化石墨烯则提供了适合药物吸附和化学功能化的广阔表面积。CNTs和GO在药物递送方面，特别是对于疏水性化合物，都显示出强大的潜力，并已被广泛探索为用于同时进行治疗和诊断的多功能平台。特别是氧化石墨烯，已被广泛用作抗癌药物的载体。其大表面积和可调的表面化学性质使其能够实现高效的药物负载、通过表面修饰实现靶向递送，并增强抗肿瘤免疫反应。除了药物递送，碳基系统还作为成像和诊断中的宝贵工具。GO和CNTs卓越的光学和电子特性有助于提高成像分辨率和信号灵敏度。表面工程化的GO能够实现对特定生物分子的高灵敏度检测，从而促进生物标志物的识别和疾病诊断。同样，CNTs的高导电性和光学响应性使其成为增强成像模式性能的理想候选者。
4. 类器官模型驱动的纳米医学筛选
类器官模型已成为研究纳米医学在生理相关、组织样环境中相互作用的宝贵工具（表2）。这些模型能够精确评估纳米医学的特性，包括摄取、分布、滞留、功效和毒性，并可适用于高通量筛选（HTS）以加速药物开发。以下各节全面而详细地探讨了用于体外纳米医学筛选的类器官模型，重点关注其能力、应用和新兴技术（图4）。
表2. 临床转化中的挑战及类器官技术的解决方案
| 挑战 | 传统模型 | 类器官模型 |
|---|---|---|
| 长期生物安全性评估 | 动物模型无法复制纳米颗粒在人体组织中的积聚和分布。 | 类器官模型，特别是模拟肝脏和脾脏生理的模型，能够准确地长期监测纳米载体的滞留和基因表达变化，提供更好的安全性预测。 |
| 免疫-纳米材料相互作用 | 传统的体外模型无法捕捉人类免疫系统的复杂性。 | 基于类器官的与免疫细胞的共培养系统允许实时观察免疫反应，为免疫兼容的纳米载体设计提供关键见解。 |
| 蛋白质冠的形成 | 传统模型难以表征蛋白质冠的形成及其影响。 | 带有微流控平台的血管化类器官模型能够实时追踪蛋白质冠的形成及其对纳米颗粒跨生物屏障运输的影响。 |
| 代谢清除的可变性 | 代谢清除的差异，特别是在肝或肾功能不全的患者中，使功效和安全性预测复杂化。 | 患者来源的类器官能够对纳米载体的代谢和毒性进行个性化评估，从而实现更精确的治疗策略。 |
图4. 类器官模型驱动的体外纳米医学筛选。 2D模型与3D（类器官）模型在纳米医学筛选中的比较，突出了在结构、细胞相互作用、药物渗透和预测准确性方面的差异，其中3D类器官模型提供了更好的生理相关性和更准确的药物功效和毒性预测，并得到了自动化筛选和高通量评估技术的支持。
4.1. 疾病微环境建模
为了全面评估纳米医学的性能，必须高保真地复制复杂而动态的疾病微环境，因为这直接影响药物的行为、治疗效果和安全性。虽然传统的2D单层培养因其简单、成本效益高和可扩展性而在纳米医学研究中被广泛使用，但它们主要局限于对纳米颗粒-细胞相互作用和细胞毒性的初步评估。然而，其固有的局限性严重限制了它们对临床结果的预测准确性。具体来说，2D培养缺乏3D ECM，这是一个调节纳米颗粒渗透、扩散和细胞摄取的重要组成部分。此外，这些系统无法捕捉不同细胞类型、基质成分和ECM之间的复杂相互作用，所有这些在调节治疗反应和脱靶效应中都至关重要。因此，2D模型提供了组织微环境的过于简化的表示，使其不足以准确预测纳米医学的临床行为。相反，3D类器官模型通过重现天然组织的结构、功能和细胞异质性，提供了一种变革性的进步，使其成为研究纳米医学相互作用的优越平台。类器官是自组织的、源自干细胞的多细胞构建体，可以模拟特定组织或器官的特征，为临床前研究提供了一个生理相关的微环境。疾病特异性类器官，如癌症、神经退行性疾病和传染病类器官，使得能够在病理相关条件下研究纳米医学的相互作用。癌症类器官复制了独特的肿瘤微环境，包括缺氧、ECM硬度和肿瘤-基质相互作用，所有这些对于评估纳米医学在实体瘤中的渗透、滞留和功效都至关重要。同样，脑类器官模拟了复杂的神经元结构和血脑屏障（BBB），为研究纳米医学向CNS的递送提供了一个强大的平台。源自肺、肠或肝等组织的传染病类器官能够模拟宿主-病原体相互作用并测试抗微生物或抗病毒纳米医学。通过整合3D ECM和空间细胞组织，类器官模型克服了传统2D系统的局限性，能够在生理相关的背景下对纳米颗粒的扩散、细胞摄取、滞留和分布进行详细评估。这种复杂性水平使研究人员能够更好地预测纳米医学的体内性能，优化治疗结果，并以更高的精度评估安全性。因此，3D类器官模型已成为推动纳米医学发展和临床前评估不可或缺的工具，与传统2D培养相比，具有更优越的转化潜力（表3）。
表3. 2D细胞模型与类器官模型在纳米医学评估中的比较
| 特征 | 2D细胞模型 | 类器官模型 |
|---|---|---|
| 结构复杂性 | 平面基底上的单层细胞 | 3D、自组织的多细胞结构 |
| 细胞异质性 | 有限；通常为单一细胞类型 | 高；包括多种类似天然组织的细胞类型 |
| 生理相关性 | 低；缺乏组织结构和极性 | 高；模仿天然组织结构和细胞间相互作用 |
| 药物/纳米颗粒渗透 | 均匀且迅速 | 依赖屏障；受ECM和空间结构影响 |
| 微环境信号 | 缺失或过于简化 | 存在；包括氧气、营养物和信号分子的梯度 |
| 对体内反应的预测能力 | 有限；通常与动物或人类结果相关性差 | 高；更好地模仿药代动力学和组织特异性反应 |
| 长期研究的适用性 | 有限，因快速去分化或细胞死亡 | 适用于长期培养，能维持表型和功能 |
| 可扩展性与通量 | 高；非常适合大规模筛选 | 中等；受复杂性和标准化挑战的限制 |
| 在纳米医学中的应用 | 主要用于初步筛选和毒性评估 | 用于机理研究、生物分布、渗透和治疗效果 |
4.2. 纳米医学-类器官相互作用机制
纳米医学被设计成以高度特异性的方式与生物组织相互作用，以实现治疗目标，如靶向递送、可控药物释放和最小化脱靶效应。这些相互作用的有效性受多种因素影响，包括纳米颗粒的理化性质（尺寸、形状、表面电荷和功能化）以及组织微环境的生物学特性。类器官模型为在生理相关背景下研究这些相互作用提供了一个先进的平台，使研究人员能够深入了解纳米颗粒在多个层面的行为，包括摄取、分布、滞留和降解。
4.2.1. 纳米颗粒摄取
类器官作为高度仿生的3D多细胞模型，为研究纳米颗粒-细胞相互作用提供了无与伦比的平台。它们能够忠实地复制细胞异质性，在一个空间组织结构内包含多种细胞类型，如癌细胞、成纤维细胞和免疫细胞，这使其在探索细胞类型特异性纳米颗粒摄取方面特别有价值。例如，在一个结直肠癌类器官模型中，用透明质酸包被的CD44靶向半导体聚合物纳米颗粒显示出被癌细胞增强的内化作用和有效的光热消融效果。尽管在3D环境中的扩散受限，但纳米颗粒在靶点部位显示出增强的积聚，从而改善了治疗效果，并为支持未来的临床转化提供了宝贵的见解。一项类似的研究使用了一个3D结直肠癌类器官模型来研究pH响应性纳米载体，其中纳米颗粒被类器官中的癌细胞有效内化，产生了显著的抗肿瘤效果。这些发现凸显了类器官捕捉纳米颗粒摄取动力学的独特能力，而这在传统的2D细胞培养中常常被忽略。类器官内的3D微环境也提供了一个动态系统，用于检验纳米颗粒的性质（如尺寸、表面修饰和运输特性）如何影响摄取效率。例如，装载疏水性染料DiI的介孔二氧化硅纳米颗粒在肿瘤类器官内的细胞内递送和释放效果优于在癌症相关成纤维细胞中，并且在处理后观察到类器官尺寸减小。肠道类器官已被用作装载5-ASA的PLGA纳米颗粒的载体，这些纳米颗粒被修饰成200-300纳米的尺寸和负zeta电位，证明这些特性增强了纳米颗粒被类器官的摄取效率，且对类器官的生长和活力没有不良影响，表明它们在炎症性肠病治疗中具有靶向药物递送的潜力。此外，具有负表面电荷的纳米颗粒始终表现出优于中性和正电荷颗粒的积聚和更深的渗透。像活细胞成像这样的技术使得能够观察到PEG化的纳米颗粒穿过粘液层并通过肠道类器官中的上皮细胞转运，揭示了小窝蛋白介导的胞吞转运机制。此外，用多价配体修饰的纳米颗粒通过增加配体与其相应受体之间的结合密度，进一步增强了细胞摄取。类器官内固有的细胞异质性显著影响纳米颗粒的摄取。在肿瘤类器官中，不同的癌细胞群、基质成纤维细胞和浸润的免疫细胞表现出不同的摄取模式。这种可变性使类器官成为研究纳米医学差异靶向效率和推进精准医学策略的理想平台。
4.2.2. 纳米颗粒分布
纳米颗粒在类器官内的空间分布显著影响治疗效果，直接影响纳米药物靶向特定细胞并引发预期生物反应的能力。有效纳米颗粒分布的一个重要障碍是ECM，这是一个由蛋白质和多糖组成的致密、复杂的网络，充当纳米颗粒扩散的物理屏障。在类器官内部，特别是肿瘤类器官中，ECM模仿了实体瘤的机械特性，包括硬度和间质液压力——这两者都已知会阻碍纳米颗粒的渗透并限制均匀的药物递送。此外，类器官复杂的3D结构，包括独特的细胞层、营养和氧气梯度以及缺氧核心等微环境，进一步影响了纳米颗粒的空间定位。在肿瘤类器官中，缺氧区域通常为纳米颗粒的进入创造了额外的障碍，需要纳米颗粒在这些异质区域内有效分布才能实现治疗成功，尤其是在实体瘤和密集堆积的组织中。
为了克服这些挑战，已采用先进的成像技术来评估和优化纳米颗粒的分布。多光子显微镜（MPM）和光学相干断层扫描（OCT）等技术能够实现对类器官内纳米颗粒定位的高分辨率、3D可视化。MPM通过利用非线性荧光激发和更长波长的激光，克服了传统单光子显微镜的分辨率和对比度限制。这使得MPM在研究活体脑类器官方面特别有效，能够对细胞迁移、网络活动异常、分化缺陷进行高分辨率成像，并构建神经退行性疾病和癌症等疾病模型。在视网膜类器官研究中，MPM已被证明是获取关于人类特异性神经发育和神经系统疾病见解的重要工具。OCT基于干涉测量法，提供高分辨率成像，并具有无创性的额外优势。在类器官研究中，OCT主要用于3D成像和实时监测。例如，它已被应用于视网膜类器官的3D实时成像，提供了关于动态细胞变化的详细见解。OCT还可以与其他成像技术（如动态光散射OCT）相结合，以进一步提高成像质量和分辨率。这些先进方法为研究人员提供了关于类器官中纳米颗粒无法进入区域的宝贵见解，使他们能够改进纳米颗粒的配方和递送系统，以实现更好的渗透和均匀分布。通过将这些成像工具与类器官模型相结合，研究人员可以在更接近体内微环境中优化纳米药物的分布，最终增强这些疗法的临床转化潜力。
4.2.3. 纳米颗粒滞留与降解
纳米颗粒的滞留和降解行为是影响其药代动力学特性、制剂稳定性和治疗效果的基本参数。基于类器官的平台，由于其3D结构和生理相关的ECM组成，为高保真地研究这些动力学提供了一个精细的体外模型。
滞留，定义为纳米颗粒在组织模拟构建体中的时间持久性，在缓释药物递送系统的背景下尤其相关，其中延长的组织内滞留能够实现治疗剂的受控和持续释放，从而最小化给药频率并增强临床结果。活细胞成像技术和定量生物分布分析的最新进展促进了关于类器官系统中纳米颗粒定位的高分辨率、时间分辨数据的生成。这些实验获得的数据集可以系统地整合到药代动力学建模框架中，包括隔室方法和基于生理的药代动力学模型。通过模拟全身分布曲线、清除动力学和在生理相关条件下的组织特异性药物积累，这种整合显著提高了临床前评估的预测准确性。此外，它为纳米颗粒特性的合理设计和优化提供了坚实的基础，包括粒径、表面修饰和降解行为等理化参数。
与此同时，类器官模型为系统研究纳米颗粒降解过程和相关的药物释放动力学提供了宝贵的平台，尤其是在使用可生物降解聚合物（如PLGA）配制的递送系统的背景下。类器官内的生化微环境，以特定的酶谱、氧化条件和空间异质性的pH分布为特征，与天然人体组织非常相似。这种生理相关性使得类器官特别适合在接近体内的条件下准确评估降解行为。特别是，pH响应性纳米载体可以在模拟缺氧肿瘤区域常见酸性条件的肿瘤衍生类器官中进行检验。这种实验设置能够详细表征局部降解过程，并促进对受控、位点特异性药物释放机制的评估。此外，从此类类器官系统获得的动力学数据可用于校准和验证机理药代动力学模型，从而能够外推至体内药效学反应并支持剂量-方案优化。总的来说，基于类器官的实验与先进药代动力学建模方法的融合，为阐明纳米颗粒的命运和功能提供了一种强大的策略，从而弥合了体外研究与临床应用之间的转化差距。
4.2.4. 定量与定性评估
为了全面评估纳米颗粒与类器官的相互作用，研究人员结合使用定量和定性技术。每种方法都为纳米颗粒的行为、分布和功效提供了独特而互补的见解。定量评估提供了纳米颗粒摄取、分布、降解和药物释放动力学的精确测量。例如，流式细胞术能够在单细胞水平上高通量地量化纳米颗粒的摄取，这对于分析类器官内异质细胞群体（如肿瘤模型中的癌细胞、基质成纤维细胞和免疫细胞）特别有价值。传统细胞分离技术与免疫染色和高灵敏度细胞器流式细胞术相结合，获得了关于纳米颗粒细胞内分布的空间分辨数据。通过在不同时间点提取细胞器，获得了关于纳米颗粒细胞内运输的时间分辨数据。高效液相色谱法（HPLC）常用于量化治疗剂从纳米颗粒中的释放动力学及其在类器官环境中的浓度。该技术提供了详细的药代动力学曲线，对于理解药物递送系统的动力学至关重要。在研究金纳米颗粒作为胰腺癌治疗的药物递送系统的研究中，HPLC被用于在胰蛋白酶B缓冲液中分离和检测离子纳米颗粒，验证了它们在靶向能力和监测药物释放方面的作用。质谱法则通过能够精确量化纳米颗粒及其降解产物，进一步增强了纳米颗粒的分析。这种方法使研究人员能够评估纳米颗粒在类器官内特定区室的稳定性、药物释放模式和积累。例如，核磁共振波谱和液相色谱-质谱联用（LC-MS）已被用于检测确定环境中纳米颗粒的降解产物。研究表明，聚乳酸-衣康酸酯纳米颗粒在PBS溶液中孵育两个月后，降解为乳酸和乳酸酯，可通过质谱检测。LC-MS分析还可以更深入地了解这些降解产物的化学转化和环境影响。
定性评估通过提供纳米颗粒在类器官3D结构内相互作用和分布的高分辨率可视化来补充这些定量技术。例如，共聚焦显微镜允许对纳米颗粒定位进行详细的3D成像，使研究人员能够检查其在细胞层间的分布、特定细胞类型的摄取以及在类器官不同区域的滞留。透射电子显微镜提供了更精细的细节，揭示了纳米颗粒与细胞之间的超微结构相互作用。该技术为了解纳米颗粒在溶酶体、内体或细胞核等细胞器中的细胞内定位提供了见解，这对于理解纳米药物的作用机制和运输途径至关重要。活细胞成像通过允许实时追踪荧光标记的纳米颗粒，进一步增强了这些评估。这种方法使研究人员能够监测纳米颗粒的动态行为，包括它们通过ECM的扩散、细胞摄取和细胞内运输。通过结合定量和定性方法，研究人员可以全面了解纳米颗粒在类器官内的行为。这种综合方法有助于优化纳米医学制剂，并增强其在生理相关微环境中的治疗潜力。
4.3. 高通量综合评估
高通量筛选（HTS）为评估大量的纳米医学制剂库提供了一种系统、高效和可扩展的方法。将类器官模型整合到HTS中，相较于传统的体外方法是一项重大进步，因为类器官更准确地模拟了人体组织的生理、细胞和结构复杂性。它们复制人体生物学多面性的能力，结合其可扩展性和对微型化格式的适应性，使类器官成为HTS的理想平台。这使得能够更精确地评估药物的功效和毒性，为筛选纳米医学提供了更具生理相关性的环境。
4.3.1. 自动化与微型化
为便于对纳米医学制剂进行HTS，类器官通常在标准化的微孔板格式中培养，如96孔、384孔甚至1536孔板。这些格式能够在严格控制的环境下并行评估数百到数千个实验条件。微孔板设计用于支持分析的微型化，不仅节约了试剂，还显著降低了总体成本，使得大规模筛选既实用又经济高效。自动化液体处理系统和机器人平台的整合进一步简化了工作流程，提高了可重复性和通量。这些自动化系统能够精确地将干细胞或患者来源的细胞分配到微孔板中，调控它们分化成类器官，并确保纳米医学制剂的一致应用。这种精确性减少了孔间和实验间的变异性，这是在HTS中获得可靠结果的关键因素。将HTS与3D类器官模型以及自动化和微型化相结合，能够实现快速、大规模的药物筛选，并提高了可重复性和精确性。一个用于3D结肠癌类器官培养的自动化平台已被开发出来，展示了在 assays 中使用患者来源的肿瘤样本的潜力。Huelsken等人利用类器官中的高通量RNA测序揭示了药物对各种细胞类型的影响，为药物开发和个性化治疗提供了新的见解。此外，集成的具有高内涵筛选能力的机器人成像系统加速了从类器官中获取表型和分子数据的速度。这些系统捕获并分析关键终点，如细胞活力、纳米颗粒摄取和治疗反应，从而促进了高效的数据分析。自动化、微型化和先进成像技术的结合，确保了基于类器官的HTS不仅实现了可扩展性，还保持了准确评估纳米医学功效和毒性所必需的生理相关性。
4.3.2. 功效测试
类器官模型因其能够复制患病组织的结构、功能和微环境特征，在评估纳米医学的治疗效果方面具有卓越的能力。这些模型为治疗结果提供了全面的见解，如肿瘤缩小、病原体负荷减少、组织再生以及生理功能的恢复，所有这些都在与体内系统非常相似的条件下进行。类器官最具变革性的应用之一是在个性化医疗中的使用，特别是通过使用患者来源的类器官（PDOs），这些类器官直接从活检组织样本生成，而非干细胞。PDOs保留了患者疾病的遗传、分子和表型特征，提供了一个在与个体独特病理环境非常相似的背景下筛选纳米医学制剂的平台。例如，源自癌症患者的肿瘤类器官可用于确定针对每个个体特定肿瘤生物学的最有效的纳米医学制剂，使其成为精准肿瘤学中不可或缺的工具。此外，PDOs不仅捕捉了患者疾病的异质性，还能够模拟患者特异性的耐药机制和微环境相互作用。这确保了在体外观察到的治疗反应更有可能预测临床结果。PDOs高度的生理和遗传相关性显著增强了纳米医学的转化潜力，弥合了临床前研究与患者特异性治疗策略之间的差距，并推动了个性化治疗方法的发展。
尽管PDOs具有巨大潜力，但它们也存在某些局限性。这些包括培养条件的内在变异性，这可能导致不同患者和组织类型的类器官生成和生长存在差异。此外，PDOs的长期培养和规模化是资源密集型的，这可能阻碍其在临床环境中的广泛应用。另一个挑战在于肿瘤微环境的复制不完整；体外系统通常无法完全捕捉肿瘤细胞与其周围基质和免疫细胞之间复杂的相互作用。在使用PDOs进行治疗评估时，必须仔细考虑这些局限性，因为它们可能会影响研究结果的可重复性和临床相关性。
4.3.3. 毒性评估
毒性仍然是纳米医学开发和临床转化中的一个核心问题。与传统的2D细胞培养相比，类器官模型为毒性评估提供了一个更具生理相关性和先进的平台。与传统模型不同，类器官复制了天然组织的细胞异质性、3D结构和组织特异性微环境。这使得能够在更接近体内系统的条件下同时评估靶向治疗效果和潜在的脱靶细胞毒性。这种增强的复杂性对于评估纳米医学的急性和慢性毒性特征尤其有利。使用类器官进行长期暴露研究可以揭示延迟发作的细胞毒性、累积的组织损伤或细胞和分子行为的逐渐变化，这些在较短的实验中可能无法检测到。例如，二氧化硅（SiO2）和二氧化钛（TiO2）纳米颗粒在体外和体内研究中均显示出细胞毒性效应，尤其是在其纳米颗粒形式下。然而，这些毒性效应在短期评估中可能无法完全捕捉到。使用肠道类器官进行长期暴露的研究，可以更详细地评估这些材料在较长时间内如何影响细胞和组织。同时，实时成像技术，如活细胞显微镜和基于荧光的 assays，能够监测急性效应，如细胞凋亡、坏死或氧化应激的快速诱导。这些方法为纳米颗粒诱导的细胞毒性早期阶段提供了动态见解。此外，整合了患病和健康细胞的类器官共培养系统，为评估纳米医学的选择性和安全性提供了一种强大的方法。通过整合不同细胞类型，如癌细胞和非癌细胞，这些共培养模型能够更准确地预测体内的药物反应。这些模型允许研究差异化的药物反应，确保治疗剂有效靶向患病细胞，同时最大限度地减少对周围健康组织的损害。通过捕捉纳米医学毒性的空间和时间方面，类器官模型为优化纳米颗粒制剂和推动更安全、更有效的疗法的发展提供了一个宝贵的平台。
4.3.4. 评估技术
在基于类器官的高通量筛选平台中，广泛的定量和定性评估技术被用于评估纳米医学的功效和毒性。每种方法都为细胞和分子反应提供了特定的见解，从而对纳米医学的性能进行了全面评估。
细胞活力 assays 对于评估纳米医学对类器官健康和代谢活动的影响至关重要。常用的方法，如3-(4,5-二甲基噻唑-2-基)-2,5-二苯基四氮唑溴化物（MTT）、基于三磷酸腺苷的发光 assay 和水溶性四氮唑盐-1（WST-1） assays，提供了细胞存活和代谢功能的定量测量，为治疗后的细胞毒性提供了可靠的指标。在评估纳米医学对非小细胞肺癌细胞系的毒性时，常使用MTT、3-(4,5-二甲基噻唑-2-基)-5-(3-羧基甲氧基苯基)-2-(4-磺基苯基)-2H-四氮唑（XTT）、3-(4,5-二甲基噻唑-2-基)-5-(3-甲氧基苯基)-2-(4-磺基苯基)-2H-四氮唑（MTS）和WST-1等 assays。这些方法通过测量细胞活力与吸光度之间的关系来评估细胞增殖，从而能够区分不同的细胞系。除了这些 assays，使用荧光染料的活/死细胞染色技术能够区分活细胞与正在经历凋亡或坏死的细胞。这种方法能够对类器官内不同区域的药物诱导的细胞毒性进行空间分辨的可视化，这对于识别异质细胞群体或微环境内的差异反应特别有价值。
分子谱分析技术，如转录组学和蛋白质组学，越来越多地被用于阐明驱动纳米医学功效和毒性的细胞机制。这些方法能够识别基因和蛋白质表达的全局变化，从而更深入地了解纳米医学如何调节细胞通路，包括涉及凋亡、氧化应激和免疫反应的通路。特别是，类器官模型以其能够复制天然组织的复杂组织结构和微环境的能力，成为这些高通量分子分析的理想平台，确保了研究结果更具生理相关性。纳米技术与蛋白质组学的整合，即所谓的纳米蛋白质组学，已在推进疾病治疗方面显示出巨大潜力。纳米蛋白质组学利用纳米技术进行蛋白质的分离、鉴定和定量，提高了蛋白质组学分析的效率和准确性。这些能力在类器官模型中尤其有益，因为精确的蛋白质表征可以揭示在高度相关的体外环境中对纳米医学暴露的细微反应。此外，纳米药物递送系统的设计和优化在很大程度上依赖于对蛋白质和基因表达的全面理解。在这方面，类器官模型是至关重要的，因为它们提供了模拟复杂生物过程的方法，如药物摄取、代谢和脱靶效应。在类器官系统中的转录组学和蛋白质组学分析揭示了药物作用或不良反应的分子特征，为治疗机制和潜在的脱靶相互作用提供了宝贵的见解。这些见解对于指导更安全、更有效的纳米医学制剂的合理设计至关重要。当应用于类器官模型时，这些分子谱分析技术共同为评估纳米医学的性能提供了一套全面而有效的工具。这种方法不仅支持治疗制剂的优化，还增强了纳米医学在临床应用中的转化潜力。
4.3.5. 高通量筛选的新兴工具
先进技术，如微流控和人工智能（AI）的整合，显著扩展了基于类器官的高通量筛选平台的潜力，使得能够对纳米医学进行更动态、生理相关和数据驱动的评估。Inoue等人开发了一种使用癌症组织来源的球状体（CTOS）方法的先进HTS系统，能够评估2427种药物在多个源自异种移植肿瘤的CTOS系中的效果，有效捕捉了肿瘤的异质性和药物敏感性。Liu等人开发了一个患者来源的高风险结直肠腺瘤类器官生物库，并进行了高通量药物筛选，为结直肠腺瘤的预防确定了潜在的治疗候选药物。微流控系统将类器官培养整合到精心设计的设备中，模仿体内条件，如组织灌注、间质液动力学和剪切应力。这些平台允许实时监测纳米颗粒在类器官3D结构内的运输、分布和治疗效果，提供了一个与天然生物环境非常相似的高度受控的环境。此外，微流控平台支持多重 assays，便于在代表不同组织的相互连接的类器官上同时测试多种纳米医学制剂。这种方法对于研究全身效应和器官间相互作用特别有价值，例如在同一平台内研究肝脏类器官中的药物代谢和肿瘤类器官中的治疗结果。这种能力增强了模拟复杂生物过程和以更综合、整体的方式观察纳米医学相互作用的能力。
AI和机器学习（ML）工具的使用正在改变对基于类器官的高通量筛选产生的大规模、复杂数据集的分析。AI驱动的图像分析算法能高效处理来自先进成像平台的高内涵表型数据。这使得能够识别与药物功效、毒性和纳米颗粒行为相关的细微模式和相关性。这些模式可能不容易通过传统分析方法检测到。除了提高数据处理效率，AI和ML通过揭示数据内的复杂模式，为药物筛选和个性化治疗做出贡献。例如，深度学习模型和自动化注释工具能够准确分析类器官中的细胞行为和药物反应，从而加速药物开发和个性化治疗策略的设计。ML通过利用实验数据预测纳米颗粒-细胞相互作用、优化纳米医学制剂，并为后续的实验验证优先选择候选物，进一步增强了这一过程。这些计算方法减少了与药物发现相关的时间和成本，同时也能够识别新的设计参数和治疗策略。通过将微流控系统的精确性与AI驱动技术的分析能力相结合，基于类器官的高通量筛选平台正在推动纳米医学的快速发展，加速了具有更高功效、特异性和安全性的下一代疗法的开发。
5. 类器官驱动平台在纳米医学中的应用
类器官驱动的平台已成为推动纳米医学发展和评估的强大工具。这些3D组织模型复制了人体器官的结构和功能复杂性，为在生理相关条件下测试药物递送系统、评估治疗效果和毒性提供了独特的机会。以下详细讨论了它们在纳米医学各个领域的应用（图5）。
图5. 类器官驱动平台在纳米医学中的应用。 类器官平台在个性化纳米医学中的应用，涵盖癌症治疗、神经系统疾病、传染病和组织再生等领域。
5.1. 癌症纳米医学
癌症纳米医学专注于开发旨在将治疗剂高精度地递送至肿瘤的纳米颗粒，从而最大化治疗效果，同时最小化脱靶效应。肿瘤类器官可以直接从患者肿瘤活检中获得，或由癌细胞系工程化而来，为在复杂动态的肿瘤微环境中评估纳米颗粒的行为提供了生理相关的模型。这些类器官保留了原发肿瘤的特征，如细胞异质性、上皮-基质相互作用和ECM组成，使其成为研究纳米医学递送、分布和治疗效果的理想平台。通过复制肿瘤的空间和生化复杂性，肿瘤类器官使研究人员能够评估纳米颗粒如何与癌细胞和周围的基质成分相互作用，为药物摄取、细胞内运输和局部治疗效果提供了宝贵的见解。
实体瘤一个特别具有挑战性的方面是存在缺氧核心，其特点是氧气水平降低、ECM结构致密以及血液供应有限，这为有效的药物递送设置了重大障碍。肿瘤类器官准确地复制了这些氧气和营养梯度，为评估纳米颗粒深入肿瘤缺氧区域的能力提供了一个强大的平台。通过分析纳米颗粒在这些区域内的分布，研究人员可以优化纳米颗粒的特性，如尺寸、表面电荷和功能化，以克服这些扩散障碍并改善治疗结果。此外，PDOs正在通过提供一个为个体患者量身定制的测试纳米医学制剂的平台，彻底改变个性化癌症治疗。PDOs保留了患者肿瘤的遗传、分子和表型特征，使研究人员能够评估纳米颗粒对每个肿瘤独特生物学特征的疗效。例如，PDOs可用于确定纳米颗粒递送系统和化疗药物的最有效组合，为癌症治疗提供了更个性化和精确的方法。将肿瘤类器官整合到癌症纳米医学研究中，不仅提高了临床前研究的预测准确性，也为精准肿瘤策略的发展奠定了基础。
5.2. 神经纳米医学
将治疗剂递送至中枢神经系统（CNS）仍然是药物开发中最重大的挑战之一，这主要是由于血脑屏障（BBB）的存在，这是一个高度选择性、严格调控的结构，限制了大多数药物和纳米颗粒的进入。神经纳米医学通过创新的纳米颗粒设计在克服这一障碍方面取得了实质性进展，而脑类器官已成为推动这些努力的关键平台。源自干细胞的脑类器官紧密模仿了人脑的结构、细胞和功能特性，包括BBB的特征。这些类器官整合了形成BBB样结构的神经细胞、星形胶质细胞和内皮细胞，为研究纳米颗粒与CNS的相互作用提供了一个生理相关的模型。一个包含五种细胞类型（包括周细胞、内皮细胞、星形胶质细胞、皮层神经元和小胶质细胞）的脑类器官模型已被开发出来。该模型在外层模拟了BBB，有效阻止了药物或颗粒从培养基迁移到类器官核心。此外，它还表现出良好的细胞相容性和时间依赖性的细胞摄取能力。研究人员可以使用脑类器官来评估纳米颗粒穿透BBB的能力，这可以通过表面修饰（如靶向内皮受体（如转铁蛋白或胰岛素受体）的配体功能化）来促进，从而增强纳米颗粒跨越这一屏障的运输。除了BBB穿透，脑类器官还允许详细研究纳米颗粒向特定CNS细胞群（如神经元、星形胶质细胞和小胶质细胞）的递送，从而更深入地了解纳米颗粒在大脑微环境中的分布和摄取。除了BBB研究，脑类器官还作为开发针对神经退行性疾病和脑肿瘤的靶向疗法的宝贵工具，这两者都存在显著的未满足的临床需求。纳米颗粒在这些情况下提供了独特的优势，可作为神经保护药物、抗肿瘤剂或遗传物质（如siRNA、miRNA或CRISPR-Cas9系统）的载体。例如，在治疗阿尔茨海默病或帕金森病等神经退行性疾病时，脑类器官可用于测试设计用于向受影响的神经元递送神经营养因子、抗炎剂或基因编辑工具的纳米颗粒，为其治疗效果和潜在的脱靶效应提供见解。同样，对于像胶质母细胞瘤这样的脑肿瘤，由于其侵袭性和位于BBB后方的位置，治疗尤为困难，脑类器官为评估基于纳米颗粒的化疗药物或免疫调节剂的递送提供了一个平台。这些类器官使研究人员能够研究纳米颗粒与肿瘤和周围脑细胞的相互作用，优化制剂以增强肿瘤特异性递送，同时最大限度地减少对健康脑组织的损害。通过复制大脑及其独特屏障的复杂性，脑类器官为推进神经纳米医学提供了一种变革性的方法，弥合了体外实验与体内临床应用之间的差距。
5.3. 传染病纳米医学
纳米颗粒已成为对抗传染病的一种有前景的工具，它们可作为抗病毒、抗菌或免疫调节剂的递送载体，为病原体控制提供了靶向和高效的方法。源自肺和肠等组织的类器官为研究宿主-病原体相互作用和评估基于纳米医学的干预措施的有效性提供了生理相关的平台。这些类器官模仿了其各自组织的结构和功能特征，包括上皮结构、粘液产生和免疫反应，从而创建了一个高度代表性的感染动力学模型。例如，肺类器官在研究由流感病毒、呼吸道合胞病毒或SARS-CoV-2等病原体引起的呼吸道感染方面特别有价值。这些模型复制了呼吸道上皮的细胞组成和屏障特性，使研究人员能够研究纳米颗粒如何与气道内的感染细胞和病原体相互作用。设计用于递送抗病毒剂（包括小分子、多肽或siRNA）的纳米颗粒可以在肺类器官中进行测试，以评估其靶向感染的呼吸道上皮细胞、减少病毒复制和调节宿主免疫反应的能力。同样，复制肠道上皮及其与肠道微生物群相互作用的肠道类器官，特别适合研究肠道细菌感染或病毒性胃肠炎。它们允许评估旨在中和细菌毒素、消除致病菌株或恢复健康微生物平衡的抗菌纳米颗粒。
除了模拟感染，类器官还为测试装载抗病毒或抗菌剂的纳米颗粒的治疗潜力提供了一个强大的平台。通过复制受感染组织的微环境，包括病原体库、缺氧和免疫细胞相互作用，类器官使研究人员能够评估纳米颗粒中和病原体、抑制其复制或增强宿主防御的能力。例如，可以用靶向配体功能化的纳米颗粒来评估其与受感染细胞或病原体表面结合的特异性和有效性，从而确保局部的治疗作用。此外，类器官的动态、多细胞环境有助于评估纳米颗粒诱导的免疫调节，包括细胞因子释放和巨噬细胞活化，这两者都有助于清除感染。在类器官中的这种全面评估提供了传统2D细胞培养难以实现的关于纳米颗粒性能的见解，弥合了临床前研究与体内应用之间的差距。通过提供一个生理相关且可扩展的模型，类器官平台加速了用于治疗呼吸道和胃肠道感染的纳米医学的开发，解决了传染病管理中的重要空白。
5.4. 再生医学
在再生医学领域，纳米颗粒在促进组织修复、递送生长因子和靶向干细胞以促进组织再生和功能恢复方面发挥着越来越关键的作用。复制了天然组织的结构、细胞组成和功能属性的类器官，为评估纳米医学制剂在支持再生过程中的功效提供了一个强大的平台。为组织修复和再生设计的纳米颗粒可以在源自肝、肾或皮肤等组织的类器官中进行测试，它们模仿了受损或患病器官的微环境。装载有生长因子（如VEGF或EGF）的纳米颗粒，可以在模仿纤维化或慢性损伤组织的类器官中评估其增强细胞增殖、血管生成和组织重塑的能力。同样，携带抗炎剂的纳米颗粒可用于评估其调节炎症反应的潜力，从而为组织修复和再生创造更有利的环境。
除了组织修复，靶向干细胞的纳米颗粒在再生医学中具有变革性的潜力。模仿发育和组织再生过程的干细胞来源的类器官，是研究纳米颗粒向特定干细胞群体靶向递送的理想模型。例如，用能与干细胞表面受体（如整合素或生长因子受体）结合的配体功能化的纳米颗粒，能够精确递送生物活性分子，包括信号因子或遗传物质（如DNA、siRNA或mRNA）。这些载荷可以促进干细胞自我更新，引导组织特异性分化，或增强干细胞的再生能力。类器官使研究人员能够评估此类纳米颗粒干预对组织结构、细胞功能和类器官成熟的长期影响，为其治疗潜力提供宝贵的见解。
类器官使得能够研究影响再生的复杂细胞相互作用和微环境因素，为研究纳米颗粒如何与这些过程相互作用并进行调节提供了独特的机会。肝脏类器官可用于评估旨在在慢性肝病情况下刺激肝细胞再生的纳米颗粒，而肾脏类器官可用于测试旨在修复肾脏疾病中肾单位损伤的纳米颗粒。此外，皮肤类器官可以为开发促进伤口愈合或减少疤痕的纳米颗粒提供一个平台。Wu等人开发了一种使用旋转生物反应器构建微球形皮肤类器官的方法，实现了高效的高通量筛选。通过复制组织特异性的再生动力学，类器官为优化纳米医学制剂和加速先进再生疗法的开发提供了一个生理相关且可扩展的模型，解决了器官衰竭和退行性疾病中未满足的需求。
6. 挑战与展望
尽管类器官驱动的纳米医学平台潜力巨大，但仍面临着重大挑战，需要解决这些挑战才能充分释放其在生物医学研究和治疗创新中的能力。主要障碍之一是缺乏标准化。缺乏统一的类器官培养、维护和表征方案导致了尺寸、细胞组成和功能特性的不一致。这种可变性损害了不同实验室之间的可重复性，并削弱了对类器官作为可靠临床前模型的信心。为克服这一问题，必须建立标准化的培养基配方、质量控制指标和功能验证基准，以确保一致性和可重复性。另一个重大挑战是可扩展性。目前的类器官生产过程劳动密集且耗时，需要对干细胞分化和3D培养条件进行精确控制。在更大规模上保持一致性很困难，因为即使是环境因素（如氧气水平或营养梯度）的微小波动也可能导致群体异质性。这些限制阻碍了类器官被整合到高通量药物筛选系统中，因为后者需要大量一致、标准化的类器官。开发自动化生物反应器和微流控系统对于实现具有一致质量的类器官的大规模生产至关重要，使其更适合大规模应用。自动化搅拌罐生物反应器已显示，通过精确调整流体动力学参数、搅拌速度和氧张力，可持续生产数十亿个尺寸可控的人类iPSC聚集体，以确保均匀性并维持多能性。模块化的微流控器官芯片平台，如Giselbrecht等人开发的受乐高启发的系统，将灌注流与实时DO2和pH传感器相结合，在精确控制的条件下培养甲状腺类器官10天。这些进步共同将可扩展的自动化与微环境的精确性相结合，实现了可重复、高通量生产适用于工业应用的高质量类器官。第三个限制在于当前类器官模型的生理复杂性不完整。大多数类器官缺乏血管网络、免疫成分和长期功能性等关键特征，限制了它们模拟全身药物递送、免疫疗法和慢性疾病的能力。缺乏血管网络阻碍了对通过循环系统分布的纳米颗粒的研究，而免疫缺陷模型则无法复制对免疫调节疗法的反应。生物工程策略，如整合血管支架、共培养免疫细胞和模拟动态微环境，对于增强类器官的生理相关性并使其能更好地反映人类疾病状况至关重要。
展望未来，类器官驱动的纳米医学平台的未来将取决于几个领域的进步。血管化将是一个主要焦点，努力整合内皮细胞共培养、工程化血管支架和微流控灌注系统，以便能够在血管化组织（如肿瘤或脑类器官）中研究纳米颗粒的渗透和药代动力学。此外，纳米医学的设计将优先考虑刺激响应性、多功能的纳米颗粒，这些纳米颗粒将针对特定的类器官微环境进行定制。这些纳米颗粒可以靶向肿瘤中的缺氧区域或穿越血脑屏障，从而增强治疗的精确性并最小化脱靶效应。此外，将开发由相互连接的肝、肾和脑类器官组成的多器官类器官系统，以模拟全身药物相互作用。在这些平台中，每个类器官都在单独的隔室中培养，流体连接允许隔室之间动态的培养基流动。这种设计能够模拟类似体内的药物吸收、分布、代谢和排泄，以及多器官毒性，为纳米颗粒的全身疗效和安全性提供全面的见解。将免疫和血管成分整合到这些系统中将进一步增强其转化潜力。通过解决与标准化、可扩展性和生理复杂性相关的挑战，并促进跨学科合作，类器官-纳米医学平台将从实验工具转变为具有临床预测性的模型。这些进步有望加速个性化、更安全、更有效疗法的开发，从而弥合临床前研究与患者应用之间的差距（图6）。
图6. 类器官驱动的纳米医学开发中的挑战与展望。 左侧：关键挑战包括缺乏标准化、可扩展性、生理复杂性不完整和血管化问题。右侧：展望包括血管化的进步、刺激响应性纳米药物、多器官类器官系统以及免疫和血管成分的整合，以增强疾病建模和治疗应用。