《Aquatic Toxicology》：Advances in three-dimensional fish cell models for aquatic toxicology
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本文综述了三维鱼细胞模型在生态毒理学中的应用，探讨其相较于传统2D和动物模型的优越性，如更真实的组织结构、更强的代谢功能及长期毒性评估能力，同时指出标准化 protocols、分析兼容性和培养稳定性等挑战。
张萍萍|姚崇瑞|施文军|徐婷|应光国
华南师范大学环境研究所，广东省化学污染与环境安全重点实验室，教育部环境理论化学重点实验室，中国广州510006
摘要
水生生态系统正日益受到各种环境污染物的威胁，如药物、个人护理产品以及持久性有机污染物。虽然传统的体内鱼类模型和二维（2D）细胞培养提供了宝贵的机制见解，但它们受到伦理问题的限制，并且生态相关性不足。相比之下，三维（3D）鱼类细胞培养系统（包括球状体、类器官和器官芯片平台）已成为毒理学中的强大工具。这些先进的模型更准确地复制了天然组织的结构，在较长时间内维持代谢功能，并便于进行长期暴露研究，从而能够全面评估污染物的毒性、生物累积潜力及毒性机制。最近的应用表明，3D系统在评估内分泌干扰效应、药物代谢、宿主-病原体相互作用以及有机污染物的慢性影响方面具有有效性。值得注意的是，与传统2D测定方法相比，这些模型表现出更强的预测能力。尽管取得了显著进展，但在标准化不同鱼类物种的实验方案、提高分析兼容性以及确保长期培养稳定性方面仍存在挑战。通过跨学科合作推进这些创新模型，将有助于将其整合到生态毒理学测试和生态风险评估中。此类进展对于支持旨在推动无动物毒理学研究的全球倡议至关重要。
引言
化学物质向环境中的排放不断增加，这对生态系统稳定性和人类健康构成了严重威胁。重金属和有机污染物（如农药和药物）现在在水生环境中普遍存在，引发了人们对生态风险评估的迫切关注（Bashir等人，2020年）。因此，可靠的毒理学评估对于制定监管决策至关重要。历史上，体内动物模型一直是危害评估的主要工具。虽然这些模型提供了宝贵的机制见解，并推动了医学、药理学和环境科学的进步，但它们资源密集、存在伦理问题，并且通常不适用于人类和生态系统（Akarapipad等人，2021年）。据报道，标准化的动物实验每年消耗超过1亿只动物，费用约为140亿美元（Fry等人，2019年）。随着“3R”原则（替代、减少、优化）（Russell和Burch，1959年）的实施以及动物福利政策的加强，许多国家正在转向非动物测试策略。包括美国环境保护署（USEPA）在内的监管机构继续推广新方法（NAMs）的采用，并减少传统哺乳动物测试，这反映了向替代测试系统的持续转变。
体外细胞模型在这种转变中发挥着关键作用。由于其简单性和易用性，二维（2D）单层培养长期以来一直是主要方法（Duval等人，2017年）。然而，人们越来越认识到2D系统无法充分模拟体内条件。在刚性人工基质上培养的细胞表现出形态改变、信号传导受损以及功能能力下降（Breslin和O’Driscoll，2013年；Griffith和Swartz，2006年；Mazzoleni等人，2009年）。因此，依赖2D培养限制了毒性评估的准确性，并使外推到实际暴露情况变得复杂。三维（3D）细胞培养系统为推进毒理学研究提供了有希望的解决方案。通过创建生理相关的微环境，这些系统促进了自然的细胞-细胞和细胞-基质相互作用，恢复了分化能力，并再现了天然组织的结构特征（Habanjar等人，2021年；Han等人，2025年；Jensen和Teng，2020年）。与2D模型相比，3D培养表现出更高的稳定性，使其更适合长期暴露和毒理学测试（Pereira等人，2022年；Rodd等人，2017年；Sou?ková等人，2023年；Wang等人，2025a年；Wang等人，2023年）。重要的是，它们保留了细胞外基质的特性（Ben-David等人，2018年；Pommerenke等人，2024年；Yamada等人，2019年），并且基因表达谱与体内状态更为一致（Wang等人，1998年）。总的来说，这些特性使得3D模型具有更高的可靠性、可重复性和预测准确性，使其成为毒理学评估中动物研究的可行补充或替代方案（Liu等人，2021年；Whitesides，2006年）。
源自鱼类的3D培养模型在水生毒理学中受到了广泛关注。例如，鱼类球状体培养能够再现重要的肝脏过程，包括外源物质代谢和生物转化途径，这对于理解污染物的命运和效应至关重要（Baron等人，2017年；Park等人，2022年；Rodd等人，2017年；Uchea等人，2015年；Uchea等人，2013年）。这些模型为内分泌干扰化学物质（EDCs）、药物和个人护理产品（PPCPs）以及其他在水生环境中频繁检测到但特征描述不足的新兴有机污染物的毒性提供了关键的机制见解。通过弥合体外数据与复杂生态现实之间的差距，鱼类3D模型提供了一个实用且符合伦理要求的危害识别平台。
本综述综合了关于体内鱼类模型和2D细胞培养局限性的现有知识，总结了3D培养技术的最新进展，并评估了鱼类3D细胞模型在生态毒理学中的应用。通过比较3D和2D系统，本分析强调了3D平台在模拟组织生理和维持代谢能力方面的优势。总体而言，本综述强调了鱼类3D模型作为先进的、符合伦理要求的生态相关环境风险评估工具的价值。
部分摘录
体外鱼类2D细胞模型
1951年从人类宫颈癌中建立的HeLa细胞系标志着细胞生物学的一个关键进展，极大地加速了生物医学研究的进步（Gey，1952年）。2D培养系统的普及主要源于其操作便利性：细胞可以进行基因改造，通过分子技术进行定量表征，并可以冷冻保存以供未来研究使用（Mazur，1984年；Thangaraj等人，2018年）。传统的表型和高通量3D细胞培养
为了解决这些局限性，开发了3D培养系统以更好地模拟组织结构。3D细胞培养的概念起源于20世纪70年代初，当时发现细胞在胶原基质上的生长与在传统2D平板上的生长有显著差异（Elsdale和Bard，1972年）。20世纪70年代末期的后续研究使用了软琼脂和漂浮的胶原凝胶作为早期3D基质（Hamburger和Salmon，1977年）。术语“三维培养模型”首次出现
用于生态毒性评估的鱼类衍生3D细胞培养模型
开发源自鱼类的3D细胞培养模型对于生态毒性评估日益重要。这些平台能够模拟与环境相关的作用方式、慢性暴露情景以及物种特定的生理反应。与传统二维单层培养相比，3D培养系统提供了更好的结构组织、增强的细胞-细胞和细胞-基质相互作用以及更强的代谢能力（Edmondson等人，2014年；Ravi等人，未来展望
鱼类球状体是一种有前景的中间模型，它介于传统的2D培养和体内鱼类系统之间。与单层培养相比，球状体能够保持关键的生理特征，包括氧气和营养梯度、细胞-细胞相互作用以及基础代谢功能。这提供了一个更具生理相关性的平台，并通过减少动物使用符合3Rs原则（Russell和Burch，1959年）。这些优势提供了CRediT作者贡献声明
姚崇瑞：研究；可视化；软件。施文军：监督；资金获取；写作 - 审稿与编辑。徐婷：写作 - 审稿与编辑。应光国：概念化；写作 - 审稿与编辑。
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张萍萍：写作 – 原稿撰写，研究。姚崇瑞：可视化，软件，研究。施文军：写作 – 审稿与编辑，监督，资金获取。徐婷：写作 – 审稿与编辑。应光国：写作 – 审稿与编辑，概念化。
