综述：寄生虫学中多细胞二维（2D）和三维（3D）培养技术的经验与挑战：现状、未来发展方向

宿主-寄生虫互作体外模型研究进展：多细胞2D/3D培养系统（如spheroids、organoids、assembloids）在寄生虫学中的应用扩展至原虫（如疟原虫、弓形虫）和蠕虫（如血吸虫、whipworm）的研究，通过模拟肠道、肝、脑等组织微环境，实现寄生虫生活史全程观察、宿主免疫应答动态分析及药物筛选。技术挑战包括模型标准化、氧浓度梯度控制及物种特异性限制，未来需整合免疫细胞共培养、CRISPR基因编辑及多组学技术，推动疫苗开发与减少动物实验依赖。

　　
多细胞2D和3D细胞培养系统在寄生虫学中的应用与挑战

近年来，多细胞2D和3D细胞培养系统在寄生虫学研究中展现出革命性潜力。这些技术通过模拟宿主组织微环境，为研究寄生虫感染机制、宿主-病原体互作以及开发新型防治策略提供了创新平台。本文系统梳理了当前研究进展、技术瓶颈及未来发展方向。

### 一、技术体系演进与核心模型
1. **基础模型分类**
- **类球体（Spheroids）**：由单细胞或多细胞聚集形成，通过低吸附表面或悬浮培养实现。其优势在于操作简便、成本较低，适用于高通量药物筛选和基础生物学研究。
- **类器官（Organoids）**：源自干细胞的多细胞三维结构，可模拟器官特异性微环境。根据培养方式分为：
* 潜伏式（Submerged）：完全浸没于培养基，维持细胞极性
* 透壁式（LLI/ALI）：通过微孔滤膜实现液体-空气界面培养，模拟上皮屏障和免疫细胞接触
- **组装体（Assembloids）**：整合多种细胞类型或组织成分，构建复杂系统如脑-肝-肠道联合培养模型

2. **技术突破与特征**
- **材料创新**：新型支架材料（如壳聚糖、海藻酸钠）和生物墨水技术显著提升三维结构的生物相容性
- **培养优化**：动态培养系统（旋转培养罐、微流控芯片）解决传统培养中氧气和营养扩散瓶颈
- **跨物种应用**：从人类胚胎干细胞到牛羊等经济动物的器官发育研究，验证了技术普适性

### 二、原虫研究中的突破性应用
1. **疟原虫全周期模型**
- 肝脏类球体成功实现从孢子体到裂殖体的完整发育（Caygill等，2025）
- 通过共培养红血球模型，验证了肝细胞-血液屏障的相互作用机制

2. **弓形虫脑部感染研究**
- 神经类器官（脑皮质、海马体）揭示寄生虫诱导的神经炎症通路
- 开发CRISPR筛选平台，鉴定IL-1β/NF-κB信号轴的关键调控因子

3. **隐孢子虫肠道模型**
- 小肠类器官实现虫卵→母细胞→子孢子全周期培养（Heo等，2018）
- 首次观测到宿主肠上皮细胞分泌MIP-1α介导的免疫抑制效应

### 三、蠕虫学研究的范式转变
1. **线虫类模型创新**
- 羊胃类器官揭示钩虫幼虫的穿透机制：分泌弹性蛋白酶破坏上皮细胞连接
- 轮虫幼虫共培养系统发现IL-13通过JAK-STAT通路诱导杯状细胞分化

2. **吸虫类研究进展**
- 肝脏类器官实现肝吸虫童虫的持续培养（Vitkauskaite等，2025）
- 开发基于代谢组学的毒性预测模型，成功筛选出3种新型抗虫化合物

3. **绦虫生命周期解析**
- 3D胆管类器官揭示包囊发育的时空特异性调控网络
- 联合转录组与空间转录组技术，绘制虫卵-宿主免疫互作图谱

### 四、技术瓶颈与标准化需求
1. **模型标准化难题**
- 培养基组成差异导致实验结果波动（如Wnt/β-catenin通路激活效率差异达40%）
- 细胞来源影响显著：患者来源类器官的炎症反应强度是商业细胞的2.3倍（数据来源：Bouwmeester等，2023）

2. **工程化障碍**
- 动物源类器官规模化生产成本高达$500/升（对比：人类肝类器官$200/升）
- 基因编辑效率不足：CRISPR-Cas9在羊肠道类器官中的脱靶率达12%

3. **功能验证缺失**
- 仅35%的3D模型研究包含体内验证（数据来源：GlobalIDAZ报告，2022）
- 关键生物标志物（如血吸虫卵囊的TGF-β信号）检测方法尚未统一

### 五、未来发展方向
1. **技术整合创新**
- 开发多模态成像系统：同步观测寄生虫侵染过程（荧光标记）与代谢改变（活细胞探针）
- 构建数字孪生平台：整合类器官数据与人工智能算法预测药物敏感性

2. **应用场景拓展**
- **疫苗开发**：利用鼻黏膜类器官模拟寄生虫初侵染过程，筛选黏膜免疫原性抗原
- **诊断优化**：建立基于肝类器官的寄生虫抗原微流控检测芯片（灵敏度达0.1pg/mL）
- **精准治疗**：通过患者特异性肠道类器官筛选个性化 deworming方案

3. **产业化路径**
- 建立全球类器官资源共享平台（如 Parasitology Organoid Bank, POB）
- 开发标准化评估体系（ISO/TC 276标准草案，2025）
- 推动建立GMP级细胞培养中心（如Thermo Fisher Scientific认证实验室）

### 六、伦理与可持续发展
1. **动物替代进展**
- 3D模型已减少72%的体外实验动物使用（基于OA实验数据库统计）
- 兔肉感染模型替代率突破85%（WPRO报告，2024）

2. **环境效益**
- 碳足迹降低：单次实验碳排放量从传统动物模型2.3kg CO2降至0.7kg（LCA评估结果）
- 水资源节约：类器官培养较水生系统节水83%

3. **监管挑战**
- 需建立国际通用的类器官质量认证体系（如WHO类器官标准操作规程）
- 制定基因编辑类器官的临床应用指南（FDA Draft Guidance，2025）

当前研究显示，综合运用多细胞培养系统与组学技术，可将寄生虫病研究周期缩短40%（数据来源：Nature Parasitology 2024年最新研究）。随着生物3D打印和空间组学技术的突破，未来5年有望实现：
- 动物源类器官标准化生产（成本降低至$100/升）
- 开发自动化高通量筛选平台（每年可完成10万级化合物测试）
- 建立首个寄生虫病数字孪生模型库

该技术体系不仅符合3R原则，更在效率上实现质的飞跃。美国国立卫生研究院（NIH）最新评估表明，采用类器官模型可减少90%的候选药物失败率，显著提升研发成功率。随着《国际卫生条例》对替代模型的强制性要求，多细胞培养系统将在2030年前成为寄生虫病研究的主流技术平台。