众所周知,药物从研发到上市大致经历3个阶段:药物研发、临床前研究以及临床Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ期研究,上市同时进行临床Ⅳ期研究,漫长复杂的研发过程使得工作者们希望用新的方式替代药物研发上的一些必要步骤,其中Fabio Mota等4位科学家从临床前研究出发,分析176项专利,并对全球1472名相关研究员的想法进行评估,认为3D/4D生物打印人体组织/器官在代替甚至取代实验动物上有值得期待的前景,并可以解决法律或道德问题,相关论文以“3D and 4D bioprinted human model patenting and the future of drug development”为题,于2020年6月9日发表在《Nature biotechnology》上。

3D/4D生物打印未来可期!50%以上研究人员认为:有望代替实验动物

[从专利入手,了解生物打印与药物研究的密切性]

图1(a)是176项专利所涉及的相关技术,从图中可以直观反映出3D组织/器官以及3D疾病模型是优先被研究人员考虑的。以3D组织/器官为例,相关专利检索量为28.4%(50项);50项专利被分为5类技术用途(图1(b)),其中人工组织/器官(21项,41%)以及细胞/组织/器官打印(16项,31%)占比较高;在21项专利中,又被分为14项相关技术应用,其中药物试验(10项)、疾病模型研究(9项)和毒性试验(8项)是最常见的专利应用(图1(c))。

3D/4D生物打印未来可期!50%以上研究人员认为:有望代替实验动物
图1 专利涉及的相关技术、使用与应用

 

[相信or不相信,先来场简单粗暴的回答]

首先,对研究人员的想法进行大致归纳,就“3D/4D打印的人体组织/器官在药物研发过程中能否替代实验动物”这个话题,分别有54.8%的生物组织工程领域研究员、50.1%的药物研发领域研究员认为:3D/4D打印的人体组织/器官在20年内即可取代实验动物; 对于实验动物领域研究员而言,3种看法占比较为均匀。(下文分别称为“相信组”与“不相信组”)

3D/4D生物打印未来可期!50%以上研究人员认为:有望代替实验动物
图2 3D/4D生物打印人体组织/器官替代实验动物用于药物研发的可能性

 

[各抒己见,机遇是什么?]

接着,对“相信组”的研究人员进行进一步了解,谈谈他们就“技术对新药研发的影响”发表看法。如图3所示,大多数研究员认为生物打印对药物研究的影响主要集中在3个方面:成为药物研发过程的主流、提供一种新的药物研发模式以及根本上解决药物不良反应的问题;对于“能否从根本上减少临床试验的需求”这一点上,持“不太可能”的研究员明显增加。

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图3 3D / 4D生物打印的人体组织/器官对药物研发过程的影响

 

同时,也对“不相信组”的研究员进行了解,图4可以直观反映出:对于提及的5点影响中,“不相信组”认为“不太可能”的比例更高。例如,大多数“不相信组”的研究员认为,3D/4D生物打印的人体结构不太可能准确地预测人体的毒性,而大多数“相信组”的研究员则表达了相反的观点;总体而言,不论是“相信组”还是“不相信组”,他们一致认为生物打印技术对于药物研发的影响可以在20年内实现。

3D/4D生物打印未来可期!50%以上研究人员认为:有望代替实验动物
图4 3D/4D生物打印人体组织/器官在药物研发过程中的影响

 

[挑战与机遇并存]

最后,研究员就“3D/4D生物打印人体组织/器官在药物研发过程中的挑战”发表见解。图5指出,不管是“相信组”还是“不相信组”,对于提及的5点挑战总体上相似,但是某些观点存在较大差异,尤其是“对完整生物模型的需求”这一观点,“不相信组”中有69.2%至70.4%的研究员认为相当重要,因为他们认为,药物测试需要在整个生物体内进行(与之对应的“相信组”只有29.8%至35%);就“伦理挑战”,“相信组”的研究员比例分布更平均,而“不相信组”的研究员观点差异大;就“科学界对新技术的抵制”这一点,很大一部分“相信组”的研究人将其视为中等至重要的挑战,而“不相信组”的研究员认为并不是很重要;同时,两组的大多数研究人员都认为,“监管方面的挑战”和“缺乏科学验证”重要或非常重要。

3D/4D生物打印未来可期!50%以上研究人员认为:有望代替实验动物
图5 3D/4D生物打印人体组织/器官在药物研发过程中的挑战

 

[小结]

在药物研发过程中,利用3D / 4D生物打印模型在未来几年有望成为现实。如果期望得以实现,这些模型不仅会改变药物研发的模式,也会改变研究与教学的方式:实验动物的饲养、管理设施可能不再需要、研究方案也可能会被改变、使用实验动物也不会受到道德舆论的压力。相信在众多研究员的期待、认同与不断努力下,药物研发必将以新的方式被人们所熟知!

 

全文链接:

https://www.nature.com/articles/s41587-020-0540-1

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