纳米级 3D 类器官成像：药物研发的强大工具

尽管新药上市前需要经历多轮试验，召回仍然经常发生。在过去九年，在美国，552 种产品由于产品效力不正确而被召回，2110 种由于产品质量而被召回，701 种由于体内试验中稳定性失效而被召回 [1]。一些产品甚至被发现会对一种或多种器官造成之前未知的毒性，在一些情况下导致了死亡 [2]。幸运的事，组织工程的进步带来了类器官的发展，它们是模仿体内器官的较小三维细胞培养物。

类器官被发现能够比 2D 细胞培养物更好地模拟较大的体内器官，因为类器官能够以生理相关性更高的方式表示细胞之间的相互作用、基因型和表型 [2]。这些属性会极大地影响药物研发过程中必须评估的参数，例如药物在各种细胞类型中的细胞毒性、剂量依赖性、药效与活动 [3]。类器官因此广泛用于研究细菌和病毒感染 [4][5]、抗癌药物研发中的疾病建模 [6][7] 以及药物毒性鉴定 [8]，等等。

类器官常用于筛查药物在特定组织中的毒性。

这对于肝脏毒性尤其很重要。药物引起的肝损伤是肝衰竭的常见原因，但药物对肝脏的毒性常常不可预测 [9]。在肝脏类器官中，可调查酶活动于肝细胞结构来确定药物毒性。

类器官还用于筛查包含纳米材料的药物都毒性。这些药物可带来极大的优势，但常常存在未知的毒性。因此，人们在肝、肾、脑和肺等各种类器官中开展了纳米药物毒性研究 [10]。可以密切监控纳米药物与器官的相互作用，以及药物在器官中的积聚情况。

要准确描述类器官结构和药物局部定位，高分辨率成像技术至关重要。

因此，成像常常使用电子显微 (EM) 来执行，这样就可以查看类器官的超微结构 [4][11]。但是，2D EM 缺乏体积信息。为了以高分辨率准确查看整个类器官，研究人员使用体积电子显微 (Volume-EM) 并获取 3D EM 图像。

在 Volume-EM 成像工作流程中，样本通常嵌入树脂中。嵌入树脂的样本会切割为多个常常称为条带的小切块，这些会使用电子显微镜成像。成像后，可以通过 2D 图像进行 3D 重构。这些重构会以 3D 方式显示整个类器官的超微结构。这可以用于研究：

- 详细的细胞间相互作用
- 类器官的超微结构形态
- 药物的精确局部定位。

最近，类器官的 Volume-EM 成像用于研究造成膀胱中的泌尿道感染的细菌 [12]。

研究人员对注入了细菌的膀胱类器官成像。他们制作了整个类器官的 3D 地图，并对单独的细菌和各种细胞类型进行可视化（图 1）。这样一来，他们可以基于位置确定五种细菌亚种群，并以定量方式调查其不同的属性。他们发现，一些入侵的亚种群受到保护，抗生素无法将其消灭。
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图 1：使用 Volume-EM 对细菌入侵的膀胱类器官进行 3D 重构。A) 类器官的一部分显示了管腔（褐色）、中性粒细胞（蓝绿色）和上皮细胞（灰色）。五种细菌亚种群分别着色为蓝紫色（管腔）、灰色（中性粒细胞）、黄色（IBC）、红色（细胞内）和绿色（细胞外周）。B) 五种细菌亚种与最接近的管腔表面的距离。使用 3D 模型，可以执行定性分析。

在 Ronchi 等人的一项研究 [13] 中，研究人员优化了对类器官成像的 Volume-EM 工作流程，并开展了其他事项。他们成功对老鼠乳腺类器官成像，并可以在 3D 地图中确定单独的细胞。

尽管有这些杰出的成就，Volume-EM 仍然很少用于药物研发和关于类器官的药物毒性研究。

这主要是因为，体积电子显微还没有向研究人员广泛普及。传统扫描电子显微镜 (SEM) 和 Volume-EM 工作流程的挑战在于，图像采集非常缓慢，并且处理这些大型数据集很困难。

为了使 Volume-EM 更普及、更快速，Delmic 开发了创新型 FAST-EM。这是一种先进的扫描传输电子显微镜，成像速度可高达传统 SEM 的 100 倍。其基底包含防止样本带电的金属涂层，因而省略涂层步骤以使样本导电。

使用 FAST-EM，研究人员可以快速、自动对类器官之类的大体积成像。采集的图像会自动数字化，并可轻松查看，这得益于创新型数据管理。这些 3D 高分辨率图像可用于快速查看药物对类器官的毒性和其他作用。

总结起来，类器官对于筛查药物对器官的作用至关重要。对类器官执行 volume-EM 成像的研究表明，可以获得出色的细节程度和许多新颖的生物学洞察。使用 FAST-EM，volume-EM 可以成为先进的高吞吐量成像技术。这可以加快药物研发过程，进而增加安全有效的药物数量。