加州大學爾灣分校的工程師們在癌症研究及精準醫療領域取得了重大突破，開發了一種結合生物電子技術的三維人類結腸模型。這項創新為結腸癌研究和藥物發現提供了一個更具倫理性、準確性及成本效益的替代方案，旨在取代傳統的動物測試方法。該研究描述了創建的「三維生物模擬人類結腸」模型，該模型尺寸為 5 × 10 毫米，能夠重現結腸的關鍵解剖特徵，包括器官獨特的曲率、分層的細胞結構，以及對於結腸功能和腫瘤生物學至關重要的皺褶。
該研究的主要作者，來自加州大學爾灣分校的電機工程與計算機科學助理教授 Rahim Esfandyar-pour 表示：「我們的三維模型中的形狀、曲線和皺褶對於維持更真實的細胞行為至關重要，即使在縮小的尺寸下也是如此。」他指出，因為該模型更接近於人類結腸的生物學，潛在可以用來篩選藥物或測試治療方法，從而比動物模型或簡單的細胞培養更好地預測病人的反應。Esfandyar-pour 開始開發該模型，正是因為他觀察到臨床前測試方法的關鍵限制。他提到，大約一半的毒理學結果無法準確轉化為人類結果，傳統的動物模型往往忽略腫瘤生物學的關鍵方面，並且需要花費數百萬美元和幾年的時間來完成。
這個集成了生物電子技術的三維模型解決了動物研究中一些實際和倫理上的挑戰，提供了一種基於人類細胞且無需動物的研究方法，並能夠實現快速、成本效益高且可擴展的轉化研究。Esfandyar-pour 說：「通過消除物種間的變異性，該模型能夠增強臨床轉化性，提供一條加速且具有倫理責任的臨床前研究途徑。」該模型的結構由明膠甲基丙烯酸酯和海藻酸鈉組成的生物支架構成，這些材料的選擇是為了模仿結腸的軟組織。人類結腸細胞沿著內部表面排列，而嵌入外層的成纖維細胞則重建了支持結腸功能的黏膜環境。
當研究人員測試化療藥物 5-氟尿嘧啶時，三維模型顯示出更強的藥物耐受性。結腸癌細胞需要約十倍的劑量才能達到與標準培養皿文化中相同的細胞毒性效果。這種耐受性反映了現實世界的臨床結果，使該模型在藥物測試中更具預測性。研究人員認為，這一三維模型是個性化醫療的基礎。通過從腫瘤活檢中培養患者來源的細胞，科學家能夠建立個性化的小結腸，以識別對每位患者最有效的藥物。該模型的培養和成熟大約需要兩周的時間，隨後再進行幾天的藥物測試，這比動物研究快得多且便宜，這種速度使得研究的通量更高，並且降低了倫理和財務負擔。
Esfandyar-pour 說，這一平台能夠加深對癌症機制的理解，並提高藥物療效評估的預測準確性。醫院和實驗室最終可以利用這些模型以倫理和及時的方式對新療法進行臨床前測試，這可能會改變藥物開發的流程。加州大學爾灣分校團隊認為，三維模型代表了可靠、人道和以患者為中心的癌症研究的重要一步，潛在地重新定義了世界對藥物開發和精準醫療的看法。該研究已發表在《先進科學》期刊上。
