加利福尼亚大学欧文分校研究人员开发出一种集成生物电子技术的三维人工结肠模型，用于结直肠癌研究与药物发现。该"三维体内模拟人结肠"模型能实现精准个性化医疗，为传统动物测试提供了更符合伦理、准确且经济高效的替代方案。
在《先进科学》期刊近期发表的论文中，欧文分校塞缪尔工程学院的研究人员详细描述了这一约5×10毫米的复制品，它完整复制了结肠的关键结构特征，包括腔面曲率、多层细胞组织以及自发形成的隐窝样凹陷。
"我们的三维体内模拟人结肠模型中的三维形态、曲率和隐窝结构，即使在微型化尺寸下也能维持更真实的细胞行为，"论文资深作者、欧文分校电气工程与计算机科学助理教授拉希姆·埃斯凡迪亚普尔（Rahim Esfandyar-pour）表示，"由于该模型更贴近人类结肠生物学特性，它可能用于药物筛选或治疗测试，比动物模型或简单细胞培养更能预测患者反应。这可能是美国食品药品监督管理局专家正在寻求的强有力非动物模型之一。"
埃斯凡迪亚普尔指出，当前临床前测试方法在检测和治疗结肠疾病方面存在关键局限，促使他启动该项目。他提到约半数啮齿类动物毒理学研究结果无法准确预测人体毒性，且动物模型常无法充分反映人类肿瘤生物学的关键特征。此外，仅常规癌症研究就需耗资数百万美元，历时四至五年。
"我们的生物电子集成三维体内模拟人结肠模型解决了动物研究中的实践与伦理挑战，提供基于人类细胞、无动物的替代方案，有望实现快速、经济且可扩展的转化研究，"埃斯凡迪亚普尔强调，"通过消除物种差异，该模型能提升临床转化能力，为临床前研究开辟加速且符合伦理的路径。"
该模型采用明胶甲基丙烯酸酯与海藻酸盐混合制成的生物支架构建，形成模拟结肠软组织的支撑基质。人类结肠细胞覆盖微型结肠内表面，支持性成纤维细胞则嵌入外层以重建结肠生存环境。
"这种精密的结构设计促进了强健的细胞间相互作用，使细胞密度较传统二维培养提升四倍，可能增强生理相关性与屏障功能，"埃斯凡迪亚普尔解释道。
他补充说明，该三维体内模拟人结肠模型在药物筛选方面优于传统培养系统。使用化疗药物5-氟尿嘧啶的实验表明，癌细胞对该模型的治疗抵抗力显著增强——需比传统培养皿高出约10倍的剂量才能达到同等细胞杀伤效果。这与真实患者肿瘤中观察到的药物耐药性一致，印证了模型在药物测试中的高保真度。
论文指出，该平台为定制化治疗开辟了新途径。研究人员设想从患者肿瘤活检中提取自体细胞，培育个性化微型结肠以确定最佳药物方案。
模型开发时间线包括约两周的培养成熟期及数天测试期，相较于传统动物研究大幅缩短周期。这一时间框架使模型既能真实模拟生理反应，又能为药物筛选提供快速结果。
埃斯凡迪亚普尔表示，该创新有望深化机制认知、提升治疗效果评估的预测准确性，并加速高通量精准药物研发。
"医院和实验室最终可利用此类模型以符合伦理且及时的方式进行新疗法临床前测试，可能彻底改变药物研发流程，"他展望道，"这项研究可能代表全球开发更可靠、人道且经济高效动物测试替代方案的重要一步，有望推动精准医疗发展，改善全球结直肠癌患者的治疗效果。"
参与该项目的还包括欧文分校生物医学工程系的J.A. Tavares-Negrete、电气工程与计算机科学系的Sahar Najafikhoshnoo与Anita Ghandehari、化学与生物分子工程系的Mozhgan Keshavarz与Quinton Smith，以及纽约理工学院的Armand Ahmetaj和Steven Zanganeh。研究由欧文分校塞缪尔工程学院资助。
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