综述：人类药物代谢与毒性研究的新兴细胞和类器官系统

《Drug Metabolism and Disposition》：Novel emerging cell and organoid systems for the study of drug metabolism and toxicity in humans

本综述系统评述了3D细胞培养、类器官（Organoid）、微生理系统（MPS）及器官芯片（OoC）等新型体外模型在药物代谢与毒性研究中的前沿进展，强调其在提升临床前预测准确性、减少动物实验（3Rs原则）及推动个体化医疗方面的巨大潜力，为药物研发提供更生理相关、高通量且符合伦理的创新平台。

　　

I. 引言

药物研发过程面临高失败率和巨额资金投入的挑战，部分原因在于传统二维（2-D）细胞培养和动物模型在预测人体药物代谢、药效和毒性方面存在局限。二维培养缺乏体内复杂的微环境、细胞间通讯和生理梯度，导致体外-体内外推（IVIVE）结果不可靠，造成临床前筛选的假阳性和假阴性。

近年来，三维（3D）培养、自组装类器官、诱导多能干细胞（iPSC）衍生模型及微生理系统（MPS）/器官芯片（OoC）等新型体外人体细胞培养系统迅速发展。这些平台通过更好地模拟体内微环境，显著提升了生理相关性，改善了药物代谢和毒性预测的准确性。它们还符合3Rs原则（替代、减少、优化），支持FDA到2030年淘汰大部分动物试验的目标，且兼具成本效益和高通量筛选（HTS）兼容性。

II. 传统细胞模型及其局限

人肝细胞模型

原代人肝细胞（PHHs）是药物代谢和肝毒性研究的金标准，但存在来源有限、成本高、去分化和代谢功能丢失等问题。永生化细胞系如HepG2、Huh7和HepaRG虽易于培养，但药物代谢酶（DME）表达较低，尤其是细胞色素P450（CYP）酶活性不足。HepaRG在分化后表现出更接近PHHs的代谢和转运功能，但仍需优化培养条件以维持长期功能。

人肠道细胞模型

肠道是药物首过代谢的重要场所。原代肠细胞培养困难，而Caco-2细胞系广泛用于药物吸收和转运研究，但CYP3A4等代谢酶表达不足，限制其用于首过代谢研究。近期通过基因工程提升Caco-2的CYP3A4表达，或筛选高表达肠癌细胞系，以改进模型。

人肾细胞模型

肾脏负责药物消除和易受药物性肾损伤（DIKI）影响。原代肾近端小管上皮细胞（RPTECs）转运体表达高但易去分化，永生化HK-2细胞系在毒性响应上变异较大。肾脏表达CYP2B6、CYP3A5、UGT1A9和UGT2B7等酶，参与部分药物代谢。

共培养系统

共培养系统如肝细胞与成纤维细胞、星状细胞或Kupffer细胞共培养，能增强肝脏功能性和炎症响应研究。肠-肝共培养在MPS中用于模拟肠肝轴的整体药物处置。

III. 新型细胞培养模型的关键进展

干细胞衍生的单层系统

人iPSC可分化为肝细胞样细胞（HLCs）、肠上皮细胞（SIECs）等，提供可再生、供体来源多样的细胞模型。HLCs已用于药物代谢、毒性筛查和疾病建模，但尚未完全实现成人表型，更适用于胎儿或新生儿酶表达研究（如CYP3A7）。直接重编程的hiHeps也显示部分代谢活性，但成熟度仍不足。iPSC衍生的肠细胞用于吸收、转运和代谢研究，但面临分化效率、可重复性和规模化挑战。

微生理系统/器官芯片模型

肝脏芯片

肝脏芯片（LoC）接种PHHs、细胞系或iPSC-HLCs，用于研究药代动力学/药效学（PK/PD）、药物-药物相互作用（DDI）和肝毒性（如对乙酰氨基酚/APAP生成NAPQI）。LoC能模拟氧分区效应，并维持CYP活性长达4周，远超传统培养。

肠道与肾脏芯片

肠道芯片（IoC）用Caco-2、iPSC-SIECs或类器官构建，提升体内相关性但成本较高。肾脏芯片（KoC）用RPTECs或HK-2细胞模拟近端小管，用于肾毒性筛查和转运体相互作用研究。

多器官系统

多器官芯片整合肠-肝、肝-肾、肠-肝-胎盘等系统，模拟全身药物分布和跨器官相互作用，为PK/PD和毒性提供更整体视角。

IV. 类器官模型在药物代谢与毒性中的进展

类器官是自组装、3D微型组织，模拟器官结构、功能和细胞多样性，支持长期培养和更成熟表型。

肝脏类器官系统

人iPSC衍生的肝类器官（huHO）包含肝细胞、胆管细胞和Kupffer细胞，展示糖原储存、白蛋白/胆汁酸分泌和CYP酶活性（如CYP3A4）。其成熟度高于2D HLCs，能准确区分肝毒性和非肝毒性化合物，并模拟非酒精性脂肪肝病（NAFLD）/NASH等疾病。新型氨基酸生物标志物（如天冬氨酸、精氨酸）从培养基非破坏性检测提升毒性评估能力。

肠道类器官系统

肠道类器官含肠上皮细胞、杯状细胞和潘氏细胞，用于药物吸收、代谢和毒性研究。它们诱导CYP3A4和ABCB1表达，模拟首过代谢，并成功预测药物性胃肠毒性（准确率90%）。应用包括抗病毒药（如瑞德西韦）评估、重金属毒性及致癌物基因毒性研究。

肾脏类器官系统

肾脏类器官包含肾单位样结构（足细胞、近端小管等），表达OAT1、OAT3、OCT2等转运体，用于肾毒性机制研究（如急性肾小管坏死/ATN）。其转运体表达高于传统细胞系，提供更生理相关的肾清除和毒性模型。

心脏类器官系统

iPSC衍生的心脏类器官用于评估药物心脏毒性（如阿霉素诱导凋亡、炎症和收缩功能障碍），优于2D模型和动物实验。

V. 当前挑战与知识缺口

与动物模型的比较

动物模型因物种差异在预测人体反应上常不可靠，导致临床高失败率。FDA等监管机构正推动非动物模型（NAM）用于IND申请，但完全替代动物试验仍需克服标准