Pioglitazone Hydrochloride

肝脏三维体外模型在药品研发和评价中的应用、监管现状和挑战 来源 《中国药事》 2026年8月 第40卷第8期 作者 曾实，詹利强，李怡文，周轶，Christopher Goldring，李炎 四川省药品检验研究院国家药品监督管理局监管科学创新研究基地； 利物浦大学； 应急总医院； 杭州艾名医学科技有限公司 摘要 肝脏作为药物代谢与毒性反应的核心器官，其体外模型的仿生度直接影响药物研发与评价的效率。传统二维体外模型与动物模型因生物学相关性不足，难以精准模拟人体生理反应。本文系统综述了肝脏三维体外模型的技术体系，涵盖多细胞球体、精密肝切片、类器官、器官芯片及生物打印肝，深入探讨其在肝脏疾病建模、药物的药理学/药代学研究、安全性评价及精准医疗中的应用优势，并从药品监管视角出发，对国内外创新方法的政策演变与实践进展进行了梳理，针对目前面临的功能成熟度不足、标准化缺失、高通量适配难及监管认可受限等关键挑战进行了剖析，并对该技术的规范化应用与科学监管体系完善提出相关建议。 关键词 肝脏；三维体外模型；类器官；药品评价；监管科学 _ 正文 _ 肝脏具有复杂的生理结构，是药物代谢、解毒、生物转化的核心器官，也是毒性反应发生的主要场所，亦是肝病机制研究、药物研发筛选与非临床评价的核心对象。 肝脏疾病研究和药物评价大多依赖于传统的平面细胞培养体系和动物模型。但受限于种属差异，动物模型难以精准外推药物在人体内的药效、毒性及分子机制，加之替代、减少、优化（Replacement，Reduction，Refinement）（简称3R原则）是动物试验的行业趋势，体外模型在药品评价中的重要性得以凸显。二维体外模型因平面培养的固有缺陷已无法满足药物评价的需求，而三维体外培养技术可重现肝脏原位微环境与细胞间相互作用，显著提升人体生物学相关性，其衍生的细胞球体、类器官及器官芯片等模型，在模拟肝脏复杂空间结构与动态生理功能方面展现出应用潜力。本文旨在系统评述肝脏三维体外模型的技术体系与在药品研发和评价中的应用，梳理国内外监管现状以及面临的关键挑战，并对该技术的规范化应用与监管体系完善进行展望。 1 技术体系与应用 1.1 肝脏三维体外模型分类 肝细胞二维体外模型具有操作简便、成本低廉、易于高通量检测的优势，是药物研究和药品评价的传统方法，但因其缺乏体内复杂的细胞间相互作用，且细胞易发生去分化与表型失真，尤其是药物代谢酶与转运体显著表达下调，使其无法精准模拟肝脏生理微环境与功能状态。三维培养可在体外构造出高仿真度的组织结构和生理生化微环境，重现二维平面培养中缺失的细胞-细胞、细胞-细胞外基质相互作用，明显提升了与人体生理系统的相关性而展现出独特应用优势。从模型构建策略看，目前多数肝脏三维培养体系可归属为无支架和支架介导两类技术路线。前者主要依赖细胞的自组装特性聚集形成具有三维结构的微组织；后者则引入天然或人工合成生物材料构建细胞外基质样微环境，从物理结构、力学特性与生化信号层面调控细胞的空间排布、极性建立与功能维持。天然生物材料（如胶原蛋白、基质胶、脱细胞基质等）具备优异的生物相容性，可一定程度上模拟体内细胞外基质微环境；人工合成材料（如聚己内酯、聚乳酸-羟基乙酸共聚物、聚乙二醇基水凝胶等）则具备力学性能可调、批次重复性好等优势。在此基础上，结合肝细胞来源、结构构型与技术平台的差异，肝脏三维体外模型已发展出肝细胞球体（Spheroids）、肝类器官（Organoids）、肝芯片（Liver-on-a-Chip）、生物打印肝（Bio-Printed Liver）等多种典型应用体系；此外，精密肝切片（Precision-Cut Liver Slices，PCLS）保留了肝组织原生基质与完整的细胞群落，可视为天然组织来源的特殊三维培养体系（图1、表1）。 1.1.1 肝细胞球体 肝细胞球体是利用细胞的自组装特性，通过悬滴法、超低黏附培养板或微阵列技术，促使肝细胞及非实质细胞聚集成球形微组织。该模型在功能成熟度方面表现优于二维模型，在无支架培养条件下可维持21天以上的代谢稳定性，具备白蛋白分泌、尿素合成及CYP450酶活性等肝脏特异性功能，能模拟胆汁淤积、脂肪变性等肝病表型。其优势在于能较好地保留肝细胞生理表型与个体差异性，用于慢性肝病模拟、药物代谢研究和药物毒性评估，具有较好的操作便捷性、高通量适配性和标准化、自动化潜力。Bell等构建的人原代肝细胞（Primary Human Hepatocytes，PHH）球体模型可预测非阿尿苷的慢性肝毒性，而该药物的慢性肝毒性在传统二维平面培养模型与动物试验中均未被检测到。Ramella Gal等构建了由PHH与Kupffer样细胞组成的三维共培养球体模型，模拟肝脏固有免疫应答特征，为重组腺相关病毒基因治疗载体的安全性评价提供了新工具。然而，其三维结构仍相对简单，因缺乏天然肝脏的组织分区与脉管系统，难以精准重现肝脏功能微环境及生理病理过程，长期静态培养下球体内部易形成营养和氧气梯度，导致中心区域出现细胞坏死，一定程度上限制了更复杂慢性肝病模型的构建。 1.1.2 PCLS PCLS是利用高精度切片机从新鲜肝脏组织中获取的厚度约200~250μm的组织薄片，其核心优势在于能较好地保留肝脏原位的复杂三维结构、完整的细胞异质性及天然的细胞间基质连接。相较于其他体外模型，PCLS能更真实地模拟组织内多细胞交互与肝脏功能区域化特征，已成为评估患者个体化药物反应及研究代谢功能障碍相关脂肪性肝病（Metabolic Dysfunction-Associated Steatotic Liver Disease，MASLD）、肝纤维化（Hepatic Fibrosis，HF）等慢性肝病机制的重要工具。然而，切片过程造成的边缘物理损伤易引发早期炎症应激，影响了模型的初始稳定性。另外，受限于氧气扩散效率，传统静态培养下切片体外代谢稳定期通常仅为2~5天（研究者正通过动态灌注技术与优化保存介质进行延长）。此外，对新鲜人体组织的高度依赖性及样本异质性，也是限制其大规模应用的主要原因。 1.1.3 肝类器官 肝类器官是指利用诱导多能干细胞（induced Pluripotent Stem Cells，iPSCs）、胚胎干细胞（Embryonic Stem Cells，ESCs）或组织来源的祖细胞，在三维基质中通过模拟体内发育信号通路诱导而成的微型器官样结构。多数肝类器官培养体系依赖基质材料提供初始空间支撑与发育相关信号，相较于传统模型具备自组织能力与功能分化潜力，能构建出包含胆管样结构的复杂分支网络，实现高度的肝脏结构仿生。Takebe实验室及斯坦福大学研究团队报道，通过肝内胚层细胞、间充质细胞与内皮前体细胞的多系联合培养，可诱导类器官内部自发形成功能性肝窦样血管网络，显著促进类器官血管化与功能成熟，提升其代谢与物质交换能力。肝类器官在肝脏疾病模型构建与药物安全性、有效性评价中展现出巨大应用潜力，已成为肝脏疾病基础研究与转化医学研究的理想体外模型；但现阶段体外构建的肝类器官仍普遍呈现胎儿肝脏表型特征，缺乏成年肝细胞水平的关键代谢酶活性与完整的生理生化功能。 1.1.4 肝芯片 肝芯片为基于微流控技术构建的体外模型装置，由介质通道与组织腔室组成，其内部铺设有经动态流体培养的人体细胞，可重构组织间界面、模拟血管灌注、引入循环或驻留免疫细胞等主要功能单元的物理微环境，可对流体流动、机械作用力以及生化浓度梯度进行精准调控，再现器官水平的生理功能、药物反应及疾病病理状态。依托动态流动体系，肝芯片能精准模拟临床实际的联合用药或其他给药方式的药物体内动力学行为，克服了其他模型静态浸泡给药的局限；相较于类器官较长的培养周期，分离患者细胞后仅需2周即可完成个体化器官芯片模型构建与药物测试，不仅能够满足患者快速筛选新药的临床需求，也可应用于评估药物性肝损伤风险。另一方面，肝芯片构建过程复杂、制造成本较高，在标准化、规模化生产和高通量应用方面仍面临较大挑战。当前研发正朝多器官芯片（Body-on-a-Chip）延伸，通过耦合肠、肝、肾芯片模拟药物全身代谢、多器官毒性以及器官间交互作用。 1.1.5 生物打印肝 当前多数生物打印肝属于支架介导的三维培养体系，通过将细胞与生物墨水（Bio-Ink）按照预设的计算机辅助设计精确堆叠，实现了肝脏实质细胞与支撑性细胞在空间上的高度仿生排布。该技术依赖生物墨水提供初始的力学支撑与微环境生化信号，解决了传统三维模型难以构建宏观脉管系统的问题，通过牺牲性支架技术或同轴挤出技术，可以在微组织内部构建出可灌注的血管通道。尽管生物打印在分辨率与生物墨水生物相容性方面仍需进一步优化，但其在构建大尺度、功能化肝脏组织方面的独特优势，使其在高通量药物筛选平台构建与肝脏移植替代研究中具备重要应用潜力。 1.2 在药品评价中的应用 在药品研发和评价应用实践中，以类器官和器官芯片为代表的三维模型通过不同程度地模拟肝脏生物学功能及病理生理过程，为肝病机制解析、药物药理毒理评价及疾病防治提供关键科学支撑。 1.2.1 疾病建模与药物筛选 肝脏三维体外模型在模拟慢性肝病，如MASLD、酒精性脂肪性肝病（Alcohol-Associated Steatotic Liver Disease，AASLD）、HF、病毒性肝炎及遗传性代谢缺陷方面具有不可替代的作用。由于这些疾病通常涉及多细胞间的复杂通讯与相互作用（如肝星状细胞激活导致的胶原沉积等），单层细胞模型等难以胜任。例如，通过游离脂肪酸诱导多细胞三维肝脏模型，可在体外复现脂肪变性、炎性浸润及早期HF等MASLD核心病理特征，通常仅需2周即可完成建模，相较动物模型可节约大量时间和经济成本。在传染病领域，肝脏类器官可完整复现乙型肝炎病毒（Hepatitis B Virus，HBV）、丙型肝炎病毒（hepatitis C Virus，HCV）等肝炎病毒的感染周期及致病过程，通过检测病毒表面或核心抗原、DNA的释放以及与体内相似的先天免疫和细胞因子反应，为病毒机制研究、抗病毒药物筛选和疫苗开发提供更具临床相关性的模型。肝细胞球体模型具有制备流程标准化、易于规模化扩增等特点，在保证良好试验重复性的同时显著降低了三维模型的应用门槛，使其成为慢性肝病模型构建和药物毒性筛选的理想工具；患者来源的PCLS可完整保留肿瘤组织学结构、异质性、肿瘤微环境及功能性免疫浸润，并能在体外稳定培养数天，可精准模拟患者对个体化用药的反应；肝脏类器官和器官芯片通过模拟肝组织的复杂构成和微环境因素，具备较好的临床关联性，在MASLD、胆管疾病等复杂肝病建模、发病机制解析及靶向药物筛选方面具备重要应用价值。 1.2.2 药理学与药代动力学评估 肝脏三维体外模型在药理学与药代动力学评估中展现出较好的生物学相关性。在药理学研究中，这些模型能模拟药物对肝脏特定疾病靶点的作用效应。例如，Hendriks等基于可长期扩增的工程化人肝类器官，模拟了饮食相关、遗传易感及单基因脂质障碍驱动的肝脂肪变性病理表型，发现从头脂质合成的抑制是改善肝细胞甘油三酯蓄积的统一有效机制，其中乙酰辅酶A羧化酶（Acetyl-CoA Carboxylase，ACC）、脂肪酸合酶（Fatty Acid Synthase，FAS）、二酰甘油酰基转移酶2（Diacylglycerol O-Acyltransferase2，DGAT2）靶向抑制剂及法尼醇X受体（Farnesoid X Receptor，FXR）激动剂、人成纤维细胞生长因子19（human Fibroblast Growth Factor19，hFGF19）均能显著降低脂滴含量，而包括吡格列酮在内的过氧化物酶体增殖物激活受体（Peroxisome Proliferator-Activated Receptor，PPAR）激动剂未显示出肝细胞层面的脂肪变性改善效应。Wong等以低生长因子培养基构建肝癌患者来源类器官（Patient-Derived Organoids，PDOs），可高度复刻原发肝癌的组织学与遗传异质性，证实携带特定CTNNB1突变的肝细胞癌对色瑞替尼呈现选择性敏感，为肝癌个体化靶向治疗提供了潜在策略。在药代动力学及代谢评估方面，三维模型一定程度上解决了传统2D培养中肝细胞代谢酶迅速去分化而失活的难题，最长可稳定维持药物代谢酶活性及转运体功能4周以上。Ohri等采用仅含PHH的微生理系统维持不同供体原代肝细胞的功能与代谢活性超过4周，持续合成白蛋白、尿素，稳定保留CYP3A4、CYP1A2、CYP2C等关键代谢酶活性，复现了CYP450酶诱导效应并可靠预测了咪达唑仑等药物的人体肝脏清除率，为药代动力学及药物-药物相互作用研究提供了支撑。Herland等利用流体耦合的血管化多器官芯片结合计算建模，模拟人体药物首过吸收、代谢与排泄过程，精准预测了尼古丁及顺铂的药代动力学参数，其结果高度匹配临床数据且优于动物模型。 1.2.3 药物毒性和安全性评价 1.2.4 个体化肝脏疾病研究与精准医疗 特定人群细胞来源的肝脏三维体外模型可保留或重构该群体肝脏组织异质性、病理微环境与个体代谢特征，为个体化肝病机制解析、精准用药筛选与评价提供高仿生度研究平台，并为解决儿科、老年或罕见病等药物临床研究中受试者招募困难的问题提供了可行的替代研究方案。在遗传性肝病领域，iPSCs衍生类器官可高度还原致病机制，如Guan等利用该模型成功复现Alagille综合征中JAG1突变-Notch通路异常-胆管发育障碍的核心表型，为肝脏遗传病个体化机制研究、精准药物筛选与基因治疗提供了可靠的体外模型与研究范式。利用PDOs结合CRISPR/Cas9等基因编辑技术，可对α1-抗胰蛋白酶缺乏症等单基因遗传病开展致病机制解析与基因矫正策略的功能验证。针对个体间用药差异，肝类器官能够高度模拟人体肝脏代谢功能，可用于评估CYP450酶遗传多态性所致的个体间药物代谢差异与毒性风险，例如精准区分可待因超快代谢者与代谢不良者，提前预警吗啡过量等致命不良反应，为个体化用药安全提供重要体外评价手段。在肿瘤精准治疗中，PDOs生物库正成为高效的药敏与新药筛选平台，通过精准再现肿瘤异质性与临床应答特征，推动肝脏疾病精准医疗转化。利用患者来源细胞（如iPSCs）构建的肝脏微生理系统在临床试验前开展相关研究可有效应对患者异质性，从而通过优化患者队列筛选和临床试验设计方案提升药物研发的成功率。 文章内容由凡默谷小编查阅文献选取，排版与编辑为原创。如转载，请尊重劳动成果，注明【来源：凡默谷公众号】。 2 监管视角下的国内外现状 随着肝脏类器官、器官芯片等技术的快速成熟，全球药品监管机构对肝脏三维体外模型的监管均纳入创新方法（New Approach Methodologies，NAMs）的整体制度框架下推进，目前虽尚未出台专门针对肝脏三维体外模型的工作文件，但整体遵循“通用原则引领，具体应用渐进式探索”的政策演进和实践路径。 2.1 美国 近年来，传统的以实验动物为核心的非临床评价模式正面临严峻挑战，以美国食品药品监督管理局（Food and Drug Administration，FDA）为代表的监管机构率先开启了从“动物优先”向“人类相关性优先”的转型。FDA于2017年发布《预测毒理学路线图》推动将预测毒理学、体外试验、计算机模拟及NAMs纳入安全性评价体系并减少动物试验依赖；2022年底颁布的《FDA现代化法案2.0》在法律层面取消了新药临床试验申请必须进行动物试验的法定限制；2024年启动并处于推进阶段的《FDA现代化法案3.0》进一步要求FDA建立明确的NAMs适用性认定程序和标准，并通过加速审评等行政激励手段引导和鼓励企业在药物研发和评价中应用类器官、器官芯片等非动物替代技术。在此背景下，FDA持续推进新药研发创新科学技术途径项目“ISTAND”（Innovative Science and Technology Approaches for New Drugs）作为NAMs获得监管认可的具体路径，肝脏三维体外模型是该路径下进展最快的技术类别。例如Emulate公司用于DILI风险预测的人源肝脏芯片是首个提交ISTAND资质认定申请的器官芯片类药物开发工具，目前已完成多轮官方审核并进入到资质认定的最终验证阶段，其验证通过后将成为首个获得官方权威认可的肝脏体外评价工具，为同类技术的监管采信建立参照标准。2025年4月，FDA宣布计划未来3至5年内用NAMs替代新药监管审批中的动物试验要求；同年7月，美国国立卫生研究院宣布不再资助仅依赖动物模型的研究申请，而是侧重于以人类为中心的新型替代方法；同年11月，美国疾病控制与预防中心接到卫生与公共服务部的明确指令，逐步退出所有灵长类动物研究项目，转向类器官、器官芯片、人工智能作为未来替代研究方向。2026年3月，FDA药品评价与研究中心发布的行业指南草案《药物研发中创新方法使用的一般考量》标志着其监管逻辑的进一步成熟。指南首次为NAMs明确了统一、可落地的验证框架：一是使用场景（Context of Use，CoU），需清晰界定三维体外模型的预期监管用途，如用于优化临床剂量选择、解释动物试验中无法明确的毒性效应，或是论证某类动物种属试验的非必要性；二是人类生物学相关性（Human Biological Relevance），需详细描述模型的细胞类型、物种来源、组织结构及生理特征，证明模型能可靠评价特定的毒性指标，并阐明其生物学机制与临床结果的关联；三是技术表征（Technical Characterization），需明确给药方案、样品处理、参考品和质控样品的选择和使用规则、统计方法等，以质控体系确保方法的稳健性、可重复性与数据可追溯性；四是目的适配性（Fit-for-Purpose），方法需精准匹配其申报的使用场景，并清晰界定方法的优势和局限性，为监管决策提供信心。FDA强调NAMs数据的整体审评仍需在特定证据权重（Weight of Evidence，WoE）框架下结合先验知识与临床前毒理数据综合评估产品特定风险。 2.2 欧盟 《化学品注册、评估、授权与限制法规》（EC No1907/2006）确立了动物试验仅作为最后手段的法定原则，强制要求在化学品注册评估中优先使用非动物测试方法；《关于保护用于科学目的的动物的指令》（2010/63/EU号指令）明确动物福利是欧盟的核心价值并对各成员国在实验动物相关法律法规和行政规定进行统一。1997年欧洲药品管理局（European Medicines Agency，EMA）发布的《用体外模型替代动物试验》指南是欧洲药品监管层面首个将3R原则写进监管政策的里程碑文件，探讨以体外模型替代动物试验的可行性与技术要求。2016年发布的《3R试验方法监管接受原则指南》首次为肝脏三维体外模型等非动物测试方法建立了统一的监管准入规则，明确其科学标准、接受路径与注册申报要求。2023年《非临床领域整合三年工作计划》将3R原则与NAMs列为核心方向，重点推进NAMs监管认可、非人灵长类动物替代、复杂体外模型标准化及国际指南落地；截至2026年，该计划已达成中期目标并滚动更新，持续为欧洲非临床评价转型提供监管支撑。行业协同方面，欧洲依托《体外方法质量管理规范》（OECD GIVIMP）、器官芯片开发（Organ-on-Chip In Development，ORCHID）项目、欧洲器官芯片学会（EUROoCS）、及“Human-on-Chip”计划等要素，已形成技术研发、标准制定与业界协同的完整布局，肝脏芯片与肝类器官均是其核心研发与验证方向；隶属于欧盟委员会联合研究中心的欧洲替代方法验证中心（European Centre for the Validation of Alternative Methods，ECVAM）作为欧盟替代方法验证与应用转化的核心机构，通过开展替代方法的科学验证和评价推动体外模型等NAMs在药品及化学品监管领域的认可与应用；欧洲化学品管理局（European Chemicals Agency，ECHA）虽不具备药品监管权限，但在3R原则执行及NAMs标准化等方面对药品非临床评价体系起到了重要参考与推动作用。 2.3 国际人用药品注册技术协调会（ICH） 作为统筹全球药品监管技术标准的核心协调机构，ICH正基于欧美的先行探索与实践积累，通过系统性地制修订非临床安全评价指南将3R原则从行业倡议落实为技术准则，为NAMs从辅助手段向决策关键工具转型预留监管空间。2009年生效的ICH M3(R2)作为药品非临床安全评价的纲领性指南，贯彻动物试验替代原则并认可经验证的体外替代方法可取代传统动物试验；在遗传与发育毒性领域，ICH S5(R3)已将经验证的替代试验正式纳入试验策略；在儿科用药评价中，ICH S11支持基于证据权重整合体外/离体研究，以规避强制性的幼年动物试验。针对肝脏代谢与相互作用，ICH M12打破了完全依赖临床研究的传统，认可以体外细胞模型及机制建模为核心、从体外测试到必要临床验证的阶梯式评价体系，为高生理相关性的肝脏三维模型提供了合规应用基础。此外，ICH E14/S7B问答文件认可结合体外代谢数据的整合风险评估方式，用以豁免部分临床安全性研究。尽管ICH尚未发布针对肝脏三维体外模型的专项技术指导原则，但其强调以3R原则为引领、以证据权重为驱动、兼顾风险防控与研发效率的监管理念为肝脏三维体外模型逐步纳入国际协调的药品评价体系提供了政策基础。 2.4 中国 我国在该领域正逐步构建涵盖宏观战略、技术指南与行业标准的立体化监管体系，肝脏三维体外模型是转化应用与监管探索较为活跃的领域之一。《“健康中国2030”规划纲要》从国家战略层面为生物医药前沿技术发展奠定了顶层框架，而《中华人民共和国国民经济和社会发展第十五个五年规划纲要》明确将类器官、器官芯片等三维体外模型技术列入前沿科技攻关任务，标志着该类技术已全面纳入我国中长期健康战略与科技发展的顶层设计体系。在药品审评层面，近年来国家药品监督管理局药品审评中心（Center for Drug Evaluation，CDE）多项指导原则认可其在药品评价中的价值。2021年发布的《基因治疗产品非临床研究与评价技术指导原则（试行）》和《基因修饰细胞治疗产品非临床研究技术指导原则（试行）》在细胞与基因治疗领域明确允许在无合适动物模型时采用体外试验系统、替代性模型开展非临床研究，纳入监管考量范畴；2024年《人源干细胞产品非临床研究技术指导原则》明确提及并认可当缺少相关动物种属/模型时，三维组织模型、类器官和微流体模型可应用于干细胞产品的有效性和安全性评估；《肿瘤治疗性疫苗非临床研究指导原则（征求意见稿）》允许在动物种属进行非临床研究不可行时采用类器官开展探索性研究。2025年《模型引导的罕见疾病药物研发技术指导原则》首次将类器官、器官芯片明确纳入罕见病药物注册审评认可的合规非临床数据清单，标志着我国药品监管机构对三维体外模型的态度实现关键转变，即从阶段性探索包容到正式承认其具备注册申报数据资质，为该类技术在罕见病药物研发领域的规范化应用树立了清晰的政策准则。 除药品审评政策外，我国近年来已开始围绕肝脏三维体外模型建立专门技术标准体系。《用于药物性肝损伤评价的人肝器官芯片技术规范专家共识》和《基于人源肝脏类器官的药物肝脏毒性评价技术》等团体标准的相继发布（表2），标志着我国已开始向技术标准化和监管应用转化迈进。 3 面临的主要挑战 3.1 功能成熟度和人体生物学相关性不足 在功能成熟度方面，肝脏三维体外模型的细胞来源目前主要包括原代人肝细胞、诱导多能干细胞以及永生化细胞系（如HepG2、HepaRG等）。尽管模型构建技术持续发展，但其功能成熟度及生物学功能模拟的局限性，制约了其转化应用。例如，PHH存在供体来源异质性显著、体外培养过程中功能易快速衰减而发生表型变化的问题；iPSCs分化的器官特异性细胞多接近新生期表型，与成年细胞存在明显差异，且重编程过程中易丢失关键表观遗传标记，而此类标记是模拟慢性病临床特征的关键；永生化细胞系则普遍存在药物代谢酶与转运体表达缺失或活性低下的缺陷，无法精准模拟体内药物代谢过程。 在人体生物学相关性方面，即便结构相对复杂的三维模型（如精密肝组织切片、肝类器官等），因缺乏与体内生理状态匹配的可控细胞微环境（包括力学信号、营养供应及细胞间相互作用等），其长期培养稳定性及功能维持能力仍不理想，与人体肝脏生理功能差异随培养时间延长而放大。尽管器官芯片可通过整合血管网络结构、结合生物支架材料和微流控技术等方式在一定程度上缓解上述问题，且多器官芯片能够模拟部分器官间的基础交互作用，但仍无法充分复现机体多器官之间及免疫调控网络的动态交互过程，也难以全面涵盖影响人体健康及药物反应的所有遗传与环境因素（如个体遗传多态性、肠道菌群调控、外界理化刺激等）。 3.2 重复性不佳，技术标准化有待完善 肝脏三维体外模型的重复性差、变异度高是制约其规模化应用的重要因素，根源在于各类技术环节标准化程度不足，过程可控性有待提升。在细胞获取环节，原代人肝细胞供体的年龄、生理状态及遗传多态性存在显著异质性，而干细胞诱导分化的培养体系、诱导方法等缺乏统一规范，以致细胞质量一致性难以保障。模型构建过程中，肝脏球体的细胞接种密度和培养条件，肝切片的厚度和培养方式，类器官的基质胶包埋比例和培养组分，以及器官芯片的微通道尺寸和流体剪切力等物理参数在实验室间存在显著偏差，造成模型的形貌和功能的表型差异，而基质胶和关键试剂选择缺乏统一标准进一步对重复性造成影响。功能验证环节中，药物代谢酶活性、白蛋白及尿素分泌、特定生理结构（如肝血窦与窦周隙、胆小管极化结构等）等验证指标与方法不统一，使得不同研究团队的试验结果难以横向比较。目前，肝脏三维体外模型的标准化工作仍处于起步阶段，尚未形成覆盖“细胞筛选-模型构建-功能评价-适用性分析”的全流程统一标准。在行业内实现构建方案、功能验证、适用性评价的标准化仍需大量探索与实践的积累，以满足药物研发和评价对高稳健性方法的紧迫需求。 3.3 高通量与低成本适配困境 药物研发和药品评价对模型工具的高通量、规模化应用要求较高，且需严格控制使用成本。当前肝脏三维体外模型的构建、培养与功能检测尚不能较好适配高通量需求，成本随模型复杂程度不断升高。例如，类器官传统构建方法（如悬滴法、磁悬浮法）多为低通量模式，超低吸附培养板、琼脂糖板虽能实现一定规模的培养，但多为单器官/孔，操作烦琐且耗时。模型培养需持续添加价格高昂、保质期短的重组生长因子、专用血清等，加之支架材料等耗材费用，高通量培养会显著增加药品评价成本。器官芯片与生物打印肝模型受限于制备技术复杂性，芯片式微流控系统批量生产难度大，规模化应用和制造成本控制均存在较大困难。此外，ISTAND认为器官芯片等NAMs不能一次性获得全使用场景的监管认可资质，必须根据不同使用场景和药物类型单独进行验证以获取资质。每一次单独验证都需投入额外的试验、人力及试剂成本，进一步加重成本负担。 3.4 监管认可挑战 尽管全球主要药品监管机构已开始认可肝脏三维体外模型作为药品评价的新方法工具，接纳其数据作为体内数据的补充，或在无法/无需开展体内试验时将其作为关键数据用于药品审评审批，但距离监管全面认可尚存多维度挑战。 首先，当前的核心挑战并非模型构建等技术问题，而是缺乏明确的监管应用路径、适用场景界定及评价审评规范。针对肝脏三维体外模型的数据提交格式、终点指标采信要求、适用性判定规则等，各监管机构缺乏协调统一的技术指南或准则，导致试验数据被审评接纳存在不确定性。其次，药品评价中证明三维体外模型相较于动物模型具备等同或更优的预测能力，但目前缺乏公认的监管判定基准；如何规范量化两者在药品疗效、毒性预测等核心评价维度的差异，尚未形成统一的审评共识，是制约其作为关键注册数据的核心障碍。我国虽已认可并逐步接纳三维体外模型等NAMs的应用（表3），但行业仍在等待监管机构出台更多具有指导性与约束性的审评框架和监管工作文件。此外，国际监管机构普遍强调采用证据权重框架对NAMs产生的数据进行综合评价，通过整合不同模型、不同终点及多来源证据解决单一评价手段数据不足的问题，从而提高药品评价结论的科学性与监管决策信心。未来有必要建立基于肝脏三维体外模型与其他NAMs数据协同应用的量化评价体系，完善证据质量评价、可信度分级以及证据整合方法，为其监管应用和审评决策提供统一依据。法定规范的体系构建或仍需较长探索周期，过程中伴随诸多不确定性因素，需行业各方通过系统性实践探索未知领域、积累标准化应用经验。 4 结论和展望 作为药品评价的NAMs，三维体外模型较传统体外模型在疾病建模、药物筛选、药代毒代学评估和个体化用药等方面优势显著，已成为提升药物研发效率、降低临床风险的重要技术手段。但其仍存在功能成熟度不足、人体生物学相关性有限、重复性欠佳、高通量适配难、成本偏高及监管体系不完善等问题。当前，包括我国在内的全球主要药品监管机构正不断推进该类方法的技术规范构建和监管体系建设，推动其从实验室向产业化、标准化转型。未来，该类方法将进一步向多系统整合、体内微环境与生理功能精准模拟方面发展，建议科学监管体系从以下方面引导该类新技术的规范化发展与转化应用：一是坚持以使用场景为核心、人体生物学相关性为基础、技术表征为支撑、目的适配性为准则的技术认可理念；二是加快制定统一协调的涵盖模型构建、质量验证及应用规范的标准体系，构建类似ISTAND的新技术方法监管认可体系，完善数据解读与互认准则；三是鼓励探索人工智能辅助、多组学等新技术与类器官、器官芯片等复杂模型的深度融合应用，贯彻严谨而灵活的监管模式，推动技术创新升级，不断提高模型对“药物-人体”作用效应的预测精准度。随着技术进步、标准化与科学监管体系的建设完善，基于肝脏三维体外模型的研究数据有望在药品评价中实现从“辅助依据”向“决策证据”的根本性转变，重构药物研究技术路径与风险控制模式。 参考文献 详见《中国药事》 2026年8月 第40卷第8期 凡默谷近期的免费公开课 凡默谷将于 2026年9月22日（周二）19:30–21:00举办公开课，届时将邀请 Simulations Plus 公司副总裁 张新元博士和执行总监 周海英博士共同分享 《PBPK在单抗和ADC药物开发中的应用》。欢迎您报名本次课程。 ，查看详情 免责声明返回搜狐，查看更多

肝脏三维体外模型在药品研发和评价中的应用、监管现状和挑战 来源 《中国药事》 2026年8月 第40卷第8期 作者 曾实，詹利强，李怡文，周轶，Christopher Goldring，李炎 四川省药品检验研究院国家药品监督管理局监管科学创新研究基地； 利物浦大学； 应急总医院； 杭州艾名医学科技有限公司 摘要 肝脏作为药物代谢与毒性反应的核心器官，其体外模型的仿生度直接影响药物研发与评价的效率。传统二维体外模型与动物模型因生物学相关性不足，难以精准模拟人体生理反应。本文系统综述了肝脏三维体外模型的技术体系，涵盖多细胞球体、精密肝切片、类器官、器官芯片及生物打印肝，深入探讨其在肝脏疾病建模、药物的药理学/药代学研究、安全性评价及精准医疗中的应用优势，并从药品监管视角出发，对国内外创新方法的政策演变与实践进展进行了梳理，针对目前面临的功能成熟度不足、标准化缺失、高通量适配难及监管认可受限等关键挑战进行了剖析，并对该技术的规范化应用与科学监管体系完善提出相关建议。 关键词 肝脏；三维体外模型；类器官；药品评价；监管科学 _ 正文 _ 肝脏具有复杂的生理结构，是药物代谢、解毒、生物转化的核心器官，也是毒性反应发生的主要场所，亦是肝病机制研究、药物研发筛选与非临床评价的核心对象。 肝脏疾病研究和药物评价大多依赖于传统的平面细胞培养体系和动物模型。但受限于种属差异，动物模型难以精准外推药物在人体内的药效、毒性及分子机制，加之替代、减少、优化（Replacement，Reduction，Refinement）（简称3R原则）是动物试验的行业趋势，体外模型在药品评价中的重要性得以凸显。二维体外模型因平面培养的固有缺陷已无法满足药物评价的需求，而三维体外培养技术可重现肝脏原位微环境与细胞间相互作用，显著提升人体生物学相关性，其衍生的细胞球体、类器官及器官芯片等模型，在模拟肝脏复杂空间结构与动态生理功能方面展现出应用潜力。本文旨在系统评述肝脏三维体外模型的技术体系与在药品研发和评价中的应用，梳理国内外监管现状以及面临的关键挑战，并对该技术的规范化应用与监管体系完善进行展望。 1 技术体系与应用 1.1 肝脏三维体外模型分类 肝细胞二维体外模型具有操作简便、成本低廉、易于高通量检测的优势，是药物研究和药品评价的传统方法，但因其缺乏体内复杂的细胞间相互作用，且细胞易发生去分化与表型失真，尤其是药物代谢酶与转运体显著表达下调，使其无法精准模拟肝脏生理微环境与功能状态。三维培养可在体外构造出高仿真度的组织结构和生理生化微环境，重现二维平面培养中缺失的细胞-细胞、细胞-细胞外基质相互作用，明显提升了与人体生理系统的相关性而展现出独特应用优势。从模型构建策略看，目前多数肝脏三维培养体系可归属为无支架和支架介导两类技术路线。前者主要依赖细胞的自组装特性聚集形成具有三维结构的微组织；后者则引入天然或人工合成生物材料构建细胞外基质样微环境，从物理结构、力学特性与生化信号层面调控细胞的空间排布、极性建立与功能维持。天然生物材料（如胶原蛋白、基质胶、脱细胞基质等）具备优异的生物相容性，可一定程度上模拟体内细胞外基质微环境；人工合成材料（如聚己内酯、聚乳酸-羟基乙酸共聚物、聚乙二醇基水凝胶等）则具备力学性能可调、批次重复性好等优势。在此基础上，结合肝细胞来源、结构构型与技术平台的差异，肝脏三维体外模型已发展出肝细胞球体（Spheroids）、肝类器官（Organoids）、肝芯片（Liver-on-a-Chip）、生物打印肝（Bio-Printed Liver）等多种典型应用体系；此外，精密肝切片（Precision-Cut Liver Slices，PCLS）保留了肝组织原生基质与完整的细胞群落，可视为天然组织来源的特殊三维培养体系（图1、表1）。 1.1.1 肝细胞球体 肝细胞球体是利用细胞的自组装特性，通过悬滴法、超低黏附培养板或微阵列技术，促使肝细胞及非实质细胞聚集成球形微组织。该模型在功能成熟度方面表现优于二维模型，在无支架培养条件下可维持21天以上的代谢稳定性，具备白蛋白分泌、尿素合成及CYP450酶活性等肝脏特异性功能，能模拟胆汁淤积、脂肪变性等肝病表型。其优势在于能较好地保留肝细胞生理表型与个体差异性，用于慢性肝病模拟、药物代谢研究和药物毒性评估，具有较好的操作便捷性、高通量适配性和标准化、自动化潜力。Bell等构建的人原代肝细胞（Primary Human Hepatocytes，PHH）球体模型可预测非阿尿苷的慢性肝毒性，而该药物的慢性肝毒性在传统二维平面培养模型与动物试验中均未被检测到。Ramella Gal等构建了由PHH与Kupffer样细胞组成的三维共培养球体模型，模拟肝脏固有免疫应答特征，为重组腺相关病毒基因治疗载体的安全性评价提供了新工具。然而，其三维结构仍相对简单，因缺乏天然肝脏的组织分区与脉管系统，难以精准重现肝脏功能微环境及生理病理过程，长期静态培养下球体内部易形成营养和氧气梯度，导致中心区域出现细胞坏死，一定程度上限制了更复杂慢性肝病模型的构建。 1.1.2 PCLS PCLS是利用高精度切片机从新鲜肝脏组织中获取的厚度约200~250μm的组织薄片，其核心优势在于能较好地保留肝脏原位的复杂三维结构、完整的细胞异质性及天然的细胞间基质连接。相较于其他体外模型，PCLS能更真实地模拟组织内多细胞交互与肝脏功能区域化特征，已成为评估患者个体化药物反应及研究代谢功能障碍相关脂肪性肝病（Metabolic Dysfunction-Associated Steatotic Liver Disease，MASLD）、肝纤维化（Hepatic Fibrosis，HF）等慢性肝病机制的重要工具。然而，切片过程造成的边缘物理损伤易引发早期炎症应激，影响了模型的初始稳定性。另外，受限于氧气扩散效率，传统静态培养下切片体外代谢稳定期通常仅为2~5天（研究者正通过动态灌注技术与优化保存介质进行延长）。此外，对新鲜人体组织的高度依赖性及样本异质性，也是限制其大规模应用的主要原因。 1.1.3 肝类器官 肝类器官是指利用诱导多能干细胞（induced Pluripotent Stem Cells，iPSCs）、胚胎干细胞（Embryonic Stem Cells，ESCs）或组织来源的祖细胞，在三维基质中通过模拟体内发育信号通路诱导而成的微型器官样结构。多数肝类器官培养体系依赖基质材料提供初始空间支撑与发育相关信号，相较于传统模型具备自组织能力与功能分化潜力，能构建出包含胆管样结构的复杂分支网络，实现高度的肝脏结构仿生。Takebe实验室及斯坦福大学研究团队报道，通过肝内胚层细胞、间充质细胞与内皮前体细胞的多系联合培养，可诱导类器官内部自发形成功能性肝窦样血管网络，显著促进类器官血管化与功能成熟，提升其代谢与物质交换能力。肝类器官在肝脏疾病模型构建与药物安全性、有效性评价中展现出巨大应用潜力，已成为肝脏疾病基础研究与转化医学研究的理想体外模型；但现阶段体外构建的肝类器官仍普遍呈现胎儿肝脏表型特征，缺乏成年肝细胞水平的关键代谢酶活性与完整的生理生化功能。 1.1.4 肝芯片 肝芯片为基于微流控技术构建的体外模型装置，由介质通道与组织腔室组成，其内部铺设有经动态流体培养的人体细胞，可重构组织间界面、模拟血管灌注、引入循环或驻留免疫细胞等主要功能单元的物理微环境，可对流体流动、机械作用力以及生化浓度梯度进行精准调控，再现器官水平的生理功能、药物反应及疾病病理状态。依托动态流动体系，肝芯片能精准模拟临床实际的联合用药或其他给药方式的药物体内动力学行为，克服了其他模型静态浸泡给药的局限；相较于类器官较长的培养周期，分离患者细胞后仅需2周即可完成个体化器官芯片模型构建与药物测试，不仅能够满足患者快速筛选新药的临床需求，也可应用于评估药物性肝损伤风险。另一方面，肝芯片构建过程复杂、制造成本较高，在标准化、规模化生产和高通量应用方面仍面临较大挑战。当前研发正朝多器官芯片（Body-on-a-Chip）延伸，通过耦合肠、肝、肾芯片模拟药物全身代谢、多器官毒性以及器官间交互作用。 1.1.5 生物打印肝 当前多数生物打印肝属于支架介导的三维培养体系，通过将细胞与生物墨水（Bio-Ink）按照预设的计算机辅助设计精确堆叠，实现了肝脏实质细胞与支撑性细胞在空间上的高度仿生排布。该技术依赖生物墨水提供初始的力学支撑与微环境生化信号，解决了传统三维模型难以构建宏观脉管系统的问题，通过牺牲性支架技术或同轴挤出技术，可以在微组织内部构建出可灌注的血管通道。尽管生物打印在分辨率与生物墨水生物相容性方面仍需进一步优化，但其在构建大尺度、功能化肝脏组织方面的独特优势，使其在高通量药物筛选平台构建与肝脏移植替代研究中具备重要应用潜力。 1.2 在药品评价中的应用 在药品研发和评价应用实践中，以类器官和器官芯片为代表的三维模型通过不同程度地模拟肝脏生物学功能及病理生理过程，为肝病机制解析、药物药理毒理评价及疾病防治提供关键科学支撑。 1.2.1 疾病建模与药物筛选 肝脏三维体外模型在模拟慢性肝病，如MASLD、酒精性脂肪性肝病（Alcohol-Associated Steatotic Liver Disease，AASLD）、HF、病毒性肝炎及遗传性代谢缺陷方面具有不可替代的作用。由于这些疾病通常涉及多细胞间的复杂通讯与相互作用（如肝星状细胞激活导致的胶原沉积等），单层细胞模型等难以胜任。例如，通过游离脂肪酸诱导多细胞三维肝脏模型，可在体外复现脂肪变性、炎性浸润及早期HF等MASLD核心病理特征，通常仅需2周即可完成建模，相较动物模型可节约大量时间和经济成本。在传染病领域，肝脏类器官可完整复现乙型肝炎病毒（Hepatitis B Virus，HBV）、丙型肝炎病毒（hepatitis C Virus，HCV）等肝炎病毒的感染周期及致病过程，通过检测病毒表面或核心抗原、DNA的释放以及与体内相似的先天免疫和细胞因子反应，为病毒机制研究、抗病毒药物筛选和疫苗开发提供更具临床相关性的模型。肝细胞球体模型具有制备流程标准化、易于规模化扩增等特点，在保证良好试验重复性的同时显著降低了三维模型的应用门槛，使其成为慢性肝病模型构建和药物毒性筛选的理想工具；患者来源的PCLS可完整保留肿瘤组织学结构、异质性、肿瘤微环境及功能性免疫浸润，并能在体外稳定培养数天，可精准模拟患者对个体化用药的反应；肝脏类器官和器官芯片通过模拟肝组织的复杂构成和微环境因素，具备较好的临床关联性，在MASLD、胆管疾病等复杂肝病建模、发病机制解析及靶向药物筛选方面具备重要应用价值。 1.2.2 药理学与药代动力学评估 肝脏三维体外模型在药理学与药代动力学评估中展现出较好的生物学相关性。在药理学研究中，这些模型能模拟药物对肝脏特定疾病靶点的作用效应。例如，Hendriks等基于可长期扩增的工程化人肝类器官，模拟了饮食相关、遗传易感及单基因脂质障碍驱动的肝脂肪变性病理表型，发现从头脂质合成的抑制是改善肝细胞甘油三酯蓄积的统一有效机制，其中乙酰辅酶A羧化酶（Acetyl-CoA Carboxylase，ACC）、脂肪酸合酶（Fatty Acid Synthase，FAS）、二酰甘油酰基转移酶2（Diacylglycerol O-Acyltransferase2，DGAT2）靶向抑制剂及法尼醇X受体（Farnesoid X Receptor，FXR）激动剂、人成纤维细胞生长因子19（human Fibroblast Growth Factor19，hFGF19）均能显著降低脂滴含量，而包括吡格列酮在内的过氧化物酶体增殖物激活受体（Peroxisome Proliferator-Activated Receptor，PPAR）激动剂未显示出肝细胞层面的脂肪变性改善效应。Wong等以低生长因子培养基构建肝癌患者来源类器官（Patient-Derived Organoids，PDOs），可高度复刻原发肝癌的组织学与遗传异质性，证实携带特定CTNNB1突变的肝细胞癌对色瑞替尼呈现选择性敏感，为肝癌个体化靶向治疗提供了潜在策略。在药代动力学及代谢评估方面，三维模型一定程度上解决了传统2D培养中肝细胞代谢酶迅速去分化而失活的难题，最长可稳定维持药物代谢酶活性及转运体功能4周以上。Ohri等采用仅含PHH的微生理系统维持不同供体原代肝细胞的功能与代谢活性超过4周，持续合成白蛋白、尿素，稳定保留CYP3A4、CYP1A2、CYP2C等关键代谢酶活性，复现了CYP450酶诱导效应并可靠预测了咪达唑仑等药物的人体肝脏清除率，为药代动力学及药物-药物相互作用研究提供了支撑。Herland等利用流体耦合的血管化多器官芯片结合计算建模，模拟人体药物首过吸收、代谢与排泄过程，精准预测了尼古丁及顺铂的药代动力学参数，其结果高度匹配临床数据且优于动物模型。 1.2.3 药物毒性和安全性评价 药物性肝损伤是急性肝衰竭的首要病因，也是药物研发淘汰与上市后撤市的首要原因，长期数据显示约18%的上市药物因诱发药物性肝损伤/肝毒性风险撤市。因此，药物毒性和安全性评价在药品研发与监管中具有至关重要的地位。然而动物模型因种属差异难以准确外推至人体，传统2D模型因关键代谢酶（如CYP450）迅速失活，在预测慢性与特异质肝毒性方面灵敏度较低，相比之下，三维体外模型凭借其更高的人体生物学相关性，在药物毒性和安全性评价中展现出独特的应用优势。Nguyen等采用三维生物打印技术构建含原代肝细胞、肝星状细胞与内皮细胞的多细胞仿生三维人肝组织模型，可长期维持肝脏特异性功能与药物代谢酶活性，适用于药物慢性与迟发性肝毒性评价，能够准确区分临床肝毒性药物与非毒性药物，重现临床药物性肝损伤的核心病理与生化特征。在效能验证方面，Ewart等使用商业化Emulate肝芯片平台对27种参考药物进行测试，结果显示其对药物毒性预测的灵敏度高达87%，特异性达100%，预测准确率约为动物模型的7~8倍。Sun等构建的五细胞谱系肝类器官，对58种临床药物筛查的肝毒性识别灵敏度达82.4%，并揭示了抗抑郁药丙咪嗪介导的间接肝毒性机制。Tan等基于人肝类器官明场图像时空特征构建了人工智能预测模型，实现药物性肝损伤严重程度整体预测准确率82.34%，显著提升了药物肝毒性早期评价效率。肝脏三维体外模型与人工智能等前沿技术的联合应用，能有效降低药物临床研发失败风险，为精准的药物毒性预测和安全性评价提供有力支撑。 1.2.4 个体化肝脏疾病研究与精准医疗 特定人群细胞来源的肝脏三维体外模型可保留或重构该群体肝脏组织异质性、病理微环境与个体代谢特征，为个体化肝病机制解析、精准用药筛选与评价提供高仿生度研究平台，并为解决儿科、老年或罕见病等药物临床研究中受试者招募困难的问题提供了可行的替代研究方案。在遗传性肝病领域，iPSCs衍生类器官可高度还原致病机制，如Guan等利用该模型成功复现Alagille综合征中JAG1突变-Notch通路异常-胆管发育障碍的核心表型，为肝脏遗传病个体化机制研究、精准药物筛选与基因治疗提供了可靠的体外模型与研究范式。利用PDOs结合CRISPR/Cas9等基因编辑技术，可对α1-抗胰蛋白酶缺乏症等单基因遗传病开展致病机制解析与基因矫正策略的功能验证。针对个体间用药差异，肝类器官能够高度模拟人体肝脏代谢功能，可用于评估CYP450酶遗传多态性所致的个体间药物代谢差异与毒性风险，例如精准区分可待因超快代谢者与代谢不良者，提前预警吗啡过量等致命不良反应，为个体化用药安全提供重要体外评价手段。在肿瘤精准治疗中，PDOs生物库正成为高效的药敏与新药筛选平台，通过精准再现肿瘤异质性与临床应答特征，推动肝脏疾病精准医疗转化。利用患者来源细胞（如iPSCs）构建的肝脏微生理系统在临床试验前开展相关研究可有效应对患者异质性，从而通过优化患者队列筛选和临床试验设计方案提升药物研发的成功率。 文章内容由凡默谷小编查阅文献选取，排版与编辑为原创。如转载，请尊重劳动成果，注明【来源：凡默谷公众号】。 2 监管视角下的国内外现状 随着肝脏类器官、器官芯片等技术的快速成熟，全球药品监管机构对肝脏三维体外模型的监管均纳入创新方法（New Approach Methodologies，NAMs）的整体制度框架下推进，目前虽尚未出台专门针对肝脏三维体外模型的工作文件，但整体遵循“通用原则引领，具体应用渐进式探索”的政策演进和实践路径。 2.1 美国 近年来，传统的以实验动物为核心的非临床评价模式正面临严峻挑战，以美国食品药品监督管理局（Food and Drug Administration，FDA）为代表的监管机构率先开启了从“动物优先”向“人类相关性优先”的转型。FDA于2017年发布《预测毒理学路线图》推动将预测毒理学、体外试验、计算机模拟及NAMs纳入安全性评价体系并减少动物试验依赖；2022年底颁布的《FDA现代化法案2.0》在法律层面取消了新药临床试验申请必须进行动物试验的法定限制；2024年启动并处于推进阶段的《FDA现代化法案3.0》进一步要求FDA建立明确的NAMs适用性认定程序和标准，并通过加速审评等行政激励手段引导和鼓励企业在药物研发和评价中应用类器官、器官芯片等非动物替代技术。在此背景下，FDA持续推进新药研发创新科学技术途径项目“ISTAND”（Innovative Science and Technology Approaches for New Drugs）作为NAMs获得监管认可的具体路径，肝脏三维体外模型是该路径下进展最快的技术类别。例如Emulate公司用于DILI风险预测的人源肝脏芯片是首个提交ISTAND资质认定申请的器官芯片类药物开发工具，目前已完成多轮官方审核并进入到资质认定的最终验证阶段，其验证通过后将成为首个获得官方权威认可的肝脏体外评价工具，为同类技术的监管采信建立参照标准。2025年4月，FDA宣布计划未来3至5年内用NAMs替代新药监管审批中的动物试验要求；同年7月，美国国立卫生研究院宣布不再资助仅依赖动物模型的研究申请，而是侧重于以人类为中心的新型替代方法；同年11月，美国疾病控制与预防中心接到卫生与公共服务部的明确指令，逐步退出所有灵长类动物研究项目，转向类器官、器官芯片、人工智能作为未来替代研究方向。2026年3月，FDA药品评价与研究中心发布的行业指南草案《药物研发中创新方法使用的一般考量》标志着其监管逻辑的进一步成熟。指南首次为NAMs明确了统一、可落地的验证框架：一是使用场景（Context of Use，CoU），需清晰界定三维体外模型的预期监管用途，如用于优化临床剂量选择、解释动物试验中无法明确的毒性效应，或是论证某类动物种属试验的非必要性；二是人类生物学相关性（Human Biological Relevance），需详细描述模型的细胞类型、物种来源、组织结构及生理特征，证明模型能可靠评价特定的毒性指标，并阐明其生物学机制与临床结果的关联；三是技术表征（Technical Characterization），需明确给药方案、样品处理、参考品和质控样品的选择和使用规则、统计方法等，以质控体系确保方法的稳健性、可重复性与数据可追溯性；四是目的适配性（Fit-for-Purpose），方法需精准匹配其申报的使用场景，并清晰界定方法的优势和局限性，为监管决策提供信心。FDA强调NAMs数据的整体审评仍需在特定证据权重（Weight of Evidence，WoE）框架下结合先验知识与临床前毒理数据综合评估产品特定风险。 2.2 欧盟 《化学品注册、评估、授权与限制法规》（EC No1907/2006）确立了动物试验仅作为最后手段的法定原则，强制要求在化学品注册评估中优先使用非动物测试方法；《关于保护用于科学目的的动物的指令》（2010/63/EU号指令）明确动物福利是欧盟的核心价值并对各成员国在实验动物相关法律法规和行政规定进行统一。1997年欧洲药品管理局（European Medicines Agency，EMA）发布的《用体外模型替代动物试验》指南是欧洲药品监管层面首个将3R原则写进监管政策的里程碑文件，探讨以体外模型替代动物试验的可行性与技术要求。2016年发布的《3R试验方法监管接受原则指南》首次为肝脏三维体外模型等非动物测试方法建立了统一的监管准入规则，明确其科学标准、接受路径与注册申报要求。2023年《非临床领域整合三年工作计划》将3R原则与NAMs列为核心方向，重点推进NAMs监管认可、非人灵长类动物替代、复杂体外模型标准化及国际指南落地；截至2026年，该计划已达成中期目标并滚动更新，持续为欧洲非临床评价转型提供监管支撑。行业协同方面，欧洲依托《体外方法质量管理规范》（OECD GIVIMP）、器官芯片开发（Organ-on-Chip In Development，ORCHID）项目、欧洲器官芯片学会（EUROoCS）、及“Human-on-Chip”计划等要素，已形成技术研发、标准制定与业界协同的完整布局，肝脏芯片与肝类器官均是其核心研发与验证方向；隶属于欧盟委员会联合研究中心的欧洲替代方法验证中心（European Centre for the Validation of Alternative Methods，ECVAM）作为欧盟替代方法验证与应用转化的核心机构，通过开展替代方法的科学验证和评价推动体外模型等NAMs在药品及化学品监管领域的认可与应用；欧洲化学品管理局（European Chemicals Agency，ECHA）虽不具备药品监管权限，但在3R原则执行及NAMs标准化等方面对药品非临床评价体系起到了重要参考与推动作用。 2.3 国际人用药品注册技术协调会（ICH） 作为统筹全球药品监管技术标准的核心协调机构，ICH正基于欧美的先行探索与实践积累，通过系统性地制修订非临床安全评价指南将3R原则从行业倡议落实为技术准则，为NAMs从辅助手段向决策关键工具转型预留监管空间。2009年生效的ICH M3(R2)作为药品非临床安全评价的纲领性指南，贯彻动物试验替代原则并认可经验证的体外替代方法可取代传统动物试验；在遗传与发育毒性领域，ICH S5(R3)已将经验证的替代试验正式纳入试验策略；在儿科用药评价中，ICH S11支持基于证据权重整合体外/离体研究，以规避强制性的幼年动物试验。针对肝脏代谢与相互作用，ICH M12打破了完全依赖临床研究的传统，认可以体外细胞模型及机制建模为核心、从体外测试到必要临床验证的阶梯式评价体系，为高生理相关性的肝脏三维模型提供了合规应用基础。此外，ICH E14/S7B问答文件认可结合体外代谢数据的整合风险评估方式，用以豁免部分临床安全性研究。尽管ICH尚未发布针对肝脏三维体外模型的专项技术指导原则，但其强调以3R原则为引领、以证据权重为驱动、兼顾风险防控与研发效率的监管理念为肝脏三维体外模型逐步纳入国际协调的药品评价体系提供了政策基础。 2.4 中国 我国在该领域正逐步构建涵盖宏观战略、技术指南与行业标准的立体化监管体系，肝脏三维体外模型是转化应用与监管探索较为活跃的领域之一。《“健康中国2030”规划纲要》从国家战略层面为生物医药前沿技术发展奠定了顶层框架，而《中华人民共和国国民经济和社会发展第十五个五年规划纲要》明确将类器官、器官芯片等三维体外模型技术列入前沿科技攻关任务，标志着该类技术已全面纳入我国中长期健康战略与科技发展的顶层设计体系。在药品审评层面，近年来国家药品监督管理局药品审评中心（Center for Drug Evaluation，CDE）多项指导原则认可其在药品评价中的价值。2021年发布的《基因治疗产品非临床研究与评价技术指导原则（试行）》和《基因修饰细胞治疗产品非临床研究技术指导原则（试行）》在细胞与基因治疗领域明确允许在无合适动物模型时采用体外试验系统、替代性模型开展非临床研究，纳入监管考量范畴；2024年《人源干细胞产品非临床研究技术指导原则》明确提及并认可当缺少相关动物种属/模型时，三维组织模型、类器官和微流体模型可应用于干细胞产品的有效性和安全性评估；《肿瘤治疗性疫苗非临床研究指导原则（征求意见稿）》允许在动物种属进行非临床研究不可行时采用类器官开展探索性研究。2025年《模型引导的罕见疾病药物研发技术指导原则》首次将类器官、器官芯片明确纳入罕见病药物注册审评认可的合规非临床数据清单，标志着我国药品监管机构对三维体外模型的态度实现关键转变，即从阶段性探索包容到正式承认其具备注册申报数据资质，为该类技术在罕见病药物研发领域的规范化应用树立了清晰的政策准则。 除药品审评政策外，我国近年来已开始围绕肝脏三维体外模型建立专门技术标准体系。《用于药物性肝损伤评价的人肝器官芯片技术规范专家共识》和《基于人源肝脏类器官的药物肝脏毒性评价技术》等团体标准的相继发布（表2），标志着我国已开始向技术标准化和监管应用转化迈进。 3 面临的主要挑战 3.1 功能成熟度和人体生物学相关性不足 在功能成熟度方面，肝脏三维体外模型的细胞来源目前主要包括原代人肝细胞、诱导多能干细胞以及永生化细胞系（如HepG2、HepaRG等）。尽管模型构建技术持续发展，但其功能成熟度及生物学功能模拟的局限性，制约了其转化应用。例如，PHH存在供体来源异质性显著、体外培养过程中功能易快速衰减而发生表型变化的问题；iPSCs分化的器官特异性细胞多接近新生期表型，与成年细胞存在明显差异，且重编程过程中易丢失关键表观遗传标记，而此类标记是模拟慢性病临床特征的关键；永生化细胞系则普遍存在药物代谢酶与转运体表达缺失或活性低下的缺陷，无法精准模拟体内药物代谢过程。 在人体生物学相关性方面，即便结构相对复杂的三维模型（如精密肝组织切片、肝类器官等），因缺乏与体内生理状态匹配的可控细胞微环境（包括力学信号、营养供应及细胞间相互作用等），其长期培养稳定性及功能维持能力仍不理想，与人体肝脏生理功能差异随培养时间延长而放大。尽管器官芯片可通过整合血管网络结构、结合生物支架材料和微流控技术等方式在一定程度上缓解上述问题，且多器官芯片能够模拟部分器官间的基础交互作用，但仍无法充分复现机体多器官之间及免疫调控网络的动态交互过程，也难以全面涵盖影响人体健康及药物反应的所有遗传与环境因素（如个体遗传多态性、肠道菌群调控、外界理化刺激等）。 3.2 重复性不佳，技术标准化有待完善 肝脏三维体外模型的重复性差、变异度高是制约其规模化应用的重要因素，根源在于各类技术环节标准化程度不足，过程可控性有待提升。在细胞获取环节，原代人肝细胞供体的年龄、生理状态及遗传多态性存在显著异质性，而干细胞诱导分化的培养体系、诱导方法等缺乏统一规范，以致细胞质量一致性难以保障。模型构建过程中，肝脏球体的细胞接种密度和培养条件，肝切片的厚度和培养方式，类器官的基质胶包埋比例和培养组分，以及器官芯片的微通道尺寸和流体剪切力等物理参数在实验室间存在显著偏差，造成模型的形貌和功能的表型差异，而基质胶和关键试剂选择缺乏统一标准进一步对重复性造成影响。功能验证环节中，药物代谢酶活性、白蛋白及尿素分泌、特定生理结构（如肝血窦与窦周隙、胆小管极化结构等）等验证指标与方法不统一，使得不同研究团队的试验结果难以横向比较。目前，肝脏三维体外模型的标准化工作仍处于起步阶段，尚未形成覆盖“细胞筛选-模型构建-功能评价-适用性分析”的全流程统一标准。在行业内实现构建方案、功能验证、适用性评价的标准化仍需大量探索与实践的积累，以满足药物研发和评价对高稳健性方法的紧迫需求。 3.3 高通量与低成本适配困境 药物研发和药品评价对模型工具的高通量、规模化应用要求较高，且需严格控制使用成本。当前肝脏三维体外模型的构建、培养与功能检测尚不能较好适配高通量需求，成本随模型复杂程度不断升高。例如，类器官传统构建方法（如悬滴法、磁悬浮法）多为低通量模式，超低吸附培养板、琼脂糖板虽能实现一定规模的培养，但多为单器官/孔，操作烦琐且耗时。模型培养需持续添加价格高昂、保质期短的重组生长因子、专用血清等，加之支架材料等耗材费用，高通量培养会显著增加药品评价成本。器官芯片与生物打印肝模型受限于制备技术复杂性，芯片式微流控系统批量生产难度大，规模化应用和制造成本控制均存在较大困难。此外，ISTAND认为器官芯片等NAMs不能一次性获得全使用场景的监管认可资质，必须根据不同使用场景和药物类型单独进行验证以获取资质。每一次单独验证都需投入额外的试验、人力及试剂成本，进一步加重成本负担。 3.4 监管认可挑战 尽管全球主要药品监管机构已开始认可肝脏三维体外模型作为药品评价的新方法工具，接纳其数据作为体内数据的补充，或在无法/无需开展体内试验时将其作为关键数据用于药品审评审批，但距离监管全面认可尚存多维度挑战。 首先，当前的核心挑战并非模型构建等技术问题，而是缺乏明确的监管应用路径、适用场景界定及评价审评规范。针对肝脏三维体外模型的数据提交格式、终点指标采信要求、适用性判定规则等，各监管机构缺乏协调统一的技术指南或准则，导致试验数据被审评接纳存在不确定性。其次，药品评价中证明三维体外模型相较于动物模型具备等同或更优的预测能力，但目前缺乏公认的监管判定基准；如何规范量化两者在药品疗效、毒性预测等核心评价维度的差异，尚未形成统一的审评共识，是制约其作为关键注册数据的核心障碍。我国虽已认可并逐步接纳三维体外模型等NAMs的应用（表3），但行业仍在等待监管机构出台更多具有指导性与约束性的审评框架和监管工作文件。此外，国际监管机构普遍强调采用证据权重框架对NAMs产生的数据进行综合评价，通过整合不同模型、不同终点及多来源证据解决单一评价手段数据不足的问题，从而提高药品评价结论的科学性与监管决策信心。未来有必要建立基于肝脏三维体外模型与其他NAMs数据协同应用的量化评价体系，完善证据质量评价、可信度分级以及证据整合方法，为其监管应用和审评决策提供统一依据。法定规范的体系构建或仍需较长探索周期，过程中伴随诸多不确定性因素，需行业各方通过系统性实践探索未知领域、积累标准化应用经验。 4 结论和展望 作为药品评价的NAMs，三维体外模型较传统体外模型在疾病建模、药物筛选、药代毒代学评估和个体化用药等方面优势显著，已成为提升药物研发效率、降低临床风险的重要技术手段。但其仍存在功能成熟度不足、人体生物学相关性有限、重复性欠佳、高通量适配难、成本偏高及监管体系不完善等问题。当前，包括我国在内的全球主要药品监管机构正不断推进该类方法的技术规范构建和监管体系建设，推动其从实验室向产业化、标准化转型。未来，该类方法将进一步向多系统整合、体内微环境与生理功能精准模拟方面发展，建议科学监管体系从以下方面引导该类新技术的规范化发展与转化应用：一是坚持以使用场景为核心、人体生物学相关性为基础、技术表征为支撑、目的适配性为准则的技术认可理念；二是加快制定统一协调的涵盖模型构建、质量验证及应用规范的标准体系，构建类似ISTAND的新技术方法监管认可体系，完善数据解读与互认准则；三是鼓励探索人工智能辅助、多组学等新技术与类器官、器官芯片等复杂模型的深度融合应用，贯彻严谨而灵活的监管模式，推动技术创新升级，不断提高模型对“药物-人体”作用效应的预测精准度。随着技术进步、标准化与科学监管体系的建设完善，基于肝脏三维体外模型的研究数据有望在药品评价中实现从“辅助依据”向“决策证据”的根本性转变，重构药物研究技术路径与风险控制模式。 参考文献 详见《中国药事》 2026年8月 第40卷第8期 凡默谷近期的免费公开课 凡默谷将于 2026年9月22日（周二）19:30–21:00 举办公开课，届时将邀请 Simulations Plus 公司副总裁 张新元博士 和执行总监 周海英博士 共同分享 《PBPK在单抗和ADC药物开发中的应用》。欢迎您报名本次课程。 点击图片，查看详情 免责声明 本公众号发布的文章均为促进制药界同行的交流与学习；不用于任何商业用途。我们尊重原创作品。选取的文章已明确注明来源和作者，版权归原作者所有，如涉及侵权或其他问题，请联系我们进行删除。 内容由凡默谷小编查阅文献选取，排版与编辑为原创。如转载，请尊重劳动成果，注明【来源：凡默谷公众号】。 文章内容为作者观点，不代表本公众号立场。 文章搜索 本公众号开通往期文章任意搜功能啦 在公众号菜单栏中输入“搜索”，即可搜索往期微信内容