用于替代动物的新方法学：3D 生物制造体外模型

重新思考我们如何检测新药

近一个世纪以来，大多数新药在进入人体试验前都先在动物身上进行测试。然而，超过九成在动物身上看似安全的候选药物最终在人类身上失败。本文探讨新一代 3D“生物打印”人类组织如何改变这一局面——提供更准确、更人道的方式来预测人体对药物的反应，并有可能更快地将更安全的疗法送达患者。

从实验动物到以人为中心的测试

近期美国的一项立法，被称为 FDA 现代化法案 2.0，取消了每种新药必须在动物身上自动进行测试的要求。监管机构现在可以接受“新方法学”（New Approach Methodologies）——这些以人为相关的检测体系旨在更好地预测真实患者的反应。在这些方法中，3D 生物打印尤其突出。它使用专门的打印机将活的人类细胞和类似凝胶的软材料置入复杂形状，以模拟真实组织和微型器官。该过程通常以 CT 或 MRI 等医学影像为蓝图。科学家接着选择合适的生物材料，将适当类型的细胞混入以制成可打印的“生物墨水”，并打印分层或体积结构，使其在生物反应器中成熟为功能性组织模型。

3D 生物打印如何构建活组织

生物打印并非单一技术，而是一系列方法。喷墨式打印机喷射含细胞的微小液滴以构建具有精细细节的薄层，适合用于皮肤贴片或肺屏障等微小组织。挤出式打印机挤出连续的较厚生物墨线，能包含大量细胞和支撑纤维，便于构建更大、更结实的结构，如心脏瓣膜、肝肿瘤模型或血管网络。新近一类称为槽式光聚合（vat photopolymerization）的技术，通过将图案化光照射到液体中以固化复杂形状，避免了通过喷嘴挤压细胞的过程。这类方法的变体可以雕刻微米级特征、在几秒钟内打印出整个小器官，或在透明浴中塑形组织，同时保持细胞存活。

替代与改进药物测试

这些打印组织已经被用来重新构想药物研发流程。在早期筛选中，基于患者或特定疾病的构建体——例如生物打印的肿瘤模型——使研究人员能够在更接近人类疾病的真实 3D 环境中测试大量候选药物，而不是在平面的细胞培养层上进行试验。在临床前测试中，打印的皮肤、肺和肝组织在识别针对人类的特异性毒性或副作用方面已显示出优于动物的准确性。一些研究更进一步，打印出“芯片上的临床试验”，即用来自不同供体的细胞构建的组织并行暴露于药物之下，以揭示谁可能受益或受害。监管机构现在鼓励公司在提交动物研究数据的同时提交这些模型的数据，以积累促使其更广泛接受的证据。

无需机体即可工程化器官

尽管进展迅速，若要让生物打印组织常规替代动物试验仍面临若干障碍。一大挑战是血液供应：真实器官含有从大动脉到毛细血管的血管网络，而打印构建体必须克服氧气和营养物质扩散距离的天然限制。研究人员通过新的打印策略来应对这一问题，例如创建分支通道、使用支撑浴在形成微小血管时固定软组织，以及利用超快的体积打印机在细胞开始受损前制造出厚而细胞密集的结构。另一个挑战是真实性：活组织由多种细胞类型组成，浸润在复杂的化学信号中，常受微生物群和远端器官的影响。先进模型现在结合多种细胞群体、受控的氧气与 pH 梯度，甚至将肠、肝、免疫和脑组织通过流动液体连接起来的“多器官”系统，以模拟全身反应。

对药物开发而言更加人道且具预测力的未来

综观这些进展，未来高保真度、基于人类的组织模型可能成为我们评估药物的核心工具。文章的结论是，3D 生物打印正从实验室的小众技术转向构建标准化、可供监管使用的测试体系的核心工具。要充分实现这一承诺，科学家与监管者必须就这些模型应在何处以及如何使用达成一致，证明它们可靠地预测人体结果，并解决诸如构建稳定血管系统和解剖复杂器官等剩余技术难题。如果成功，这一转变可以减少对动物试验的依赖，降低代价高昂的后期药物失败率，并提供更安全、更有效的疗法，同时更好地反映最重要的生物学对象：我们自己。

引用: Hua, W., Gaharwar, A.K. 3D biofabricated in vitro models as new approach methodologies for animal alternatives. npj Biomed. Innov. 3, 20 (2026). https://doi.org/10.1038/s44385-026-00073-x

关键词: 3D 生物打印, 动物试验替代方案, 药物开发, 组织模型, 体积生物打印