在藥物研發(fā)領(lǐng)域，肝毒性評估是決定候選藥物能否進入臨床階段的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)二維（2D）細胞培養(yǎng)模型因無法真實模擬體內(nèi)肝細胞的三維微環(huán)境，導(dǎo)致預(yù)測準(zhǔn)確性不足，而動物實驗又存在倫理爭議和種屬差異問題。近年來，自動化微重力三維培養(yǎng)系統(tǒng)憑借其獨特的力學(xué)環(huán)境模擬能力和高通量篩選優(yōu)勢，正成為肝毒性評估領(lǐng)域的革命性工具。

一、技術(shù)原理：重構(gòu)肝細胞的三維生存空間

自動化微重力三維培養(yǎng)系統(tǒng)的核心在于通過旋轉(zhuǎn)壁容器（Rotating Wall Vessel, RWV）或隨機定位儀（Random Positioning Machine, RPM）技術(shù)，使細胞培養(yǎng)容器在三維空間中進行低速旋轉(zhuǎn)（通常<10 rpm）。這種運動方式通過分散重力矢量，有效抵消地球重力對細胞的影響，同時利用液體黏度與旋轉(zhuǎn)抬升力的平衡，將剪切力控制在0.01 Pa以下，接近體內(nèi)肝血竇的力學(xué)環(huán)境。

在此環(huán)境下，肝細胞擺脫二維培養(yǎng)中的平面鋪展限制，通過細胞間黏附分子（如E-cadherin）自發(fā)聚集形成直徑100-200μm的球狀聚集體（肝球）。這種結(jié)構(gòu)不僅在形態(tài)上模擬了肝小葉的六邊形排列，更在功能上重建了肝細胞極性——基底膜側(cè)表達整合素β1，頂膜側(cè)分泌白蛋白，膽管樣結(jié)構(gòu)內(nèi)可見CK19陽性細胞。實驗數(shù)據(jù)顯示，微重力三維培養(yǎng)的肝球中細胞色素P450（CYP450）酶活性較二維培養(yǎng)提升3倍，白蛋白合成量增加5倍，且功能維持時間從7天延長至35天以上。

二、自動化集成：突破高通量篩選瓶頸

系統(tǒng)通過模塊化設(shè)計實現(xiàn)全流程自動化：

1.細胞接種與培養(yǎng)：采用微流控芯片技術(shù)，將單細胞懸液精準(zhǔn)分配至96/384孔板中的U型微孔，每個微孔可形成1個標(biāo)準(zhǔn)化肝球。結(jié)合溫度/CO?/濕度三參數(shù)控制系統(tǒng)，確保培養(yǎng)環(huán)境穩(wěn)定性。

2.藥物暴露與動態(tài)監(jiān)測：集成自動化液體處理工作站，可同時向各孔添加不同濃度藥物，并通過高內(nèi)涵成像系統(tǒng)實時追蹤肝球直徑變化、細胞凋亡（TUNEL染色）及鈣離子流動態(tài)。

3.毒性終點檢測：采用多功能微板檢測系統(tǒng)，整合熒光偏振（檢測CYP450活性）、化學(xué)發(fā)光（ATP含量測定）及流式細胞術(shù)（線粒體膜電位分析），實現(xiàn)多參數(shù)毒性評估。

以晟華信Cellspace-3D系統(tǒng)為例，其單次可處理384個樣本，每日完成超過3000個化合物的毒性篩選，較傳統(tǒng)方法效率提升20倍。在2025年12月《自然·通訊》發(fā)表的研究中，該系統(tǒng)成功從700種金屬復(fù)合物中篩選出一種基于銥的抗生素候選藥物，其肝毒性預(yù)測與靈長類動物實驗結(jié)果吻合度達92%。

三、臨床轉(zhuǎn)化價值：從模型到藥物的跨越

1.疾病機制研究：通過構(gòu)建患者來源的誘導(dǎo)多能干細胞（iPSCs）肝球，可模擬遺傳性肝病（如Wilson病）的銅代謝異常，為靶點驗證提供精準(zhǔn)模型。

2.藥物研發(fā)優(yōu)化：在抗腫瘤藥物開發(fā)中，系統(tǒng)可同時評估藥物對肝細胞和腫瘤細胞的雙向毒性。例如，在阿霉素心臟毒性研究中，發(fā)現(xiàn)其肝代謝產(chǎn)物ACN-Dox的毒性是原藥的3.7倍，直接推動了給藥方案的修訂。

3.航天醫(yī)學(xué)應(yīng)用：針對微重力環(huán)境導(dǎo)致的肝酶活性改變，系統(tǒng)已用于篩選保護性藥物。國際空間站實驗顯示，N-乙酰半胱氨酸可逆轉(zhuǎn)微重力引起的谷胱甘肽耗竭，相關(guān)成果已納入NASA航天員健康保障指南。

四、技術(shù)挑戰(zhàn)與未來方向

當(dāng)前系統(tǒng)仍面臨兩大瓶頸：一是肝球中心區(qū)域易因營養(yǎng)/氧氣擴散受限發(fā)生壞死，需結(jié)合聲波操控技術(shù)實現(xiàn)動態(tài)灌注；二是類器官成熟度不足，需通過共培養(yǎng)肝星狀細胞和庫普弗細胞構(gòu)建更復(fù)雜的肝微組織。隨著AI驅(qū)動的過程控制算法和數(shù)字孿生技術(shù)的引入，未來系統(tǒng)有望實現(xiàn)培養(yǎng)參數(shù)的實時優(yōu)化，將肝毒性評估周期從數(shù)周縮短至72小時，為個性化醫(yī)療提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。

自動化微重力三維培養(yǎng)系統(tǒng)正以獨特的力學(xué)調(diào)控能力和高通量優(yōu)勢，重塑藥物肝毒性評估的范式。隨著生物技術(shù)與工程技術(shù)的深度融合，這一技術(shù)平臺必將推動藥物研發(fā)進入"精準(zhǔn)預(yù)測"的新時代。