由于临床样本难获得，在临床实验中常用细胞和动物模型进行测试。近年来，以细胞球和类器官为主的3D细胞培养技术逐渐得到广泛应用。与传统的2D细胞培养相比，3D细胞培养更贴近真实的体内环境，具有更强的临床相关性，是更好的药物发现预测工具。该项技术有助于减少动物实验，目前被广泛应用于制药行业和生命科学行业，并在指导个性化医疗方面显示出巨大的前景。

空间代谢组学通过整合质谱成像、高分辨率质谱及生物信息学分析，实现对组织微环境中代谢分子的“定性、定量、定位”三位一体的解析。本文重点介绍几种特征性脂质panel与特定疾病的关联，为疾病机制研究和临床诊断提供新视角。

图1不同类型的临床样本

3D细胞培养主要包括三维细胞球、类器官、器官芯片等模型。越来越多的证据表明，与传统2D细胞培养系统相比，3D细胞培养体系能更准确地模拟细胞在组织中存在的真实微环境，反映体内细胞应答的真实状况。三维培养所具有的额外维度是导致细胞应答差异的关键特征——它不仅影响细胞表面受体与周围细胞相互作用的空间组织方式，还会对细胞产生物理约束。这种空间与物理特性影响了细胞外信号向细胞内的传导过程，最终调控基因表达和细胞行为。

图2 三维细胞球示意图（左）及3D细胞培养特点（右）

● 生理相关性高：模拟细胞极性、基质相互作用及缺氧核心等体内特征。

● 支持复杂互作：可构建多种细胞共培养体系，重现细胞间代谢交流。

● 模拟疾病异质性：适用于肿瘤微环境研究及药物渗透/代谢响应分析。

●符合3R原则：替代（Replacement）、减少（Reduction）、优化（Refinement），推动动物实验伦理化。

2022年，空间多组学入选Nature最值得关注的年度七大技术之一，其中基于质谱成像（MSI）的空间代谢组学技术受到广泛关注。空间代谢组学在传统的代谢组学研究生物体内的代谢物组成、浓度变化及其相互关系的基础上增加了空间分布的维度，具有免标记、高灵敏、高覆盖、高分辨的特点，可检测生物组织中大量内源性代谢物和外源性药物，实现对组织微环境中代谢分子的"定性、定量、定位"三位一体的解析，为理解目标生物过程提供了更多维度。

过去数年间，研究者们致力于开发多样化的3D细胞培养模型。这些3D细胞培养体系提供了优异的体外模型，能够在模拟体内环境的条件下深入研究细胞应答机制。联合空间代谢组学与3D细胞培养模型，可以保留3D培养模拟生理和病理梯度（氧、营养、pH）的核心优势，解析空间异质性，进而提升临床前研究的预测价值和转化成功率。近年来，空间代谢组学已广泛应用于三维细胞球和类器官为主的3D培养模型中，在肿瘤微环境解析、药代动力学、毒性与安全性评估、干细胞分化等领域发挥重要作用。

图3 3D细胞培养空间代谢检测实验流程示意图

应用方向一：肿瘤微环境与异质性

Anal Chem. 2020, 92(18):12538–12547.

采用多模态MSI技术对聚集型3D肺腺癌模型进行了表征，依据代谢物的分布特征成功界定了缺氧核心区与增殖外层。靶向代谢物（如乳酸、谷氨酰胺和柠檬酸盐）被映射到糖酵解和三羧酸循环通路，揭示了肿瘤的代谢行为。联合成像质谱流式技术、激光剥蚀电感耦合等离子体技术，进一步区分了缺氧梯度并验证了蛋白表达，深入理解了肺腺癌模型的生物学过程，展示出3D细胞培养的质谱成像分析在医学研究和药物研发的体外应用领域的强大潜力。

应用方向二：药代动力学

Journal of Pharmaceutical Analysis, 2023, 13, 483e493.

利用质谱成像联合三维HepG2细胞球模型，提出了一种时空分辨的药物代谢组学方法，用于评估胺碘酮（AMI）的代谢特征及肝毒性。该方法实现了AMI及其15种涉及N-脱乙基化、羟基化、脱碘和不饱和化的代谢物在微尺度HepG2细胞球内的动态分布可视化，并据此推断了药物代谢网络。利用多元线性回归构建了由8个脂肪酸生物标志物组成的评估模型，该模型与细胞球活力的相关性显著提升。本研究方法可获取与药物渗透、代谢及肝毒性相关的特异性内源性代谢变化，为揭示药物潜在毒性机制及体外肝毒性评估提供了新策略。

应用方向三：毒性评估与环境毒理学

Environ. Sci. Technol. 2024, 58, 6083−6092.

利用质谱成像检测人气道类器官，全面表征1-硝基芘（1-NP）对天然气道上皮的毒性特征。分析表明，1-NP诱导的细胞毒性可能源于鞘磷脂-神经酰胺（SM-Cer）转化过程的增强，揭示了心磷脂（CL）紊乱与线粒体功能破坏的相关性，可能是活性氧（ROS）过量产生所致。这些发现揭示了1-NP细胞毒性效应的潜在作用机制，同时该方法证明了质谱技术与类器官的结合在研究环境污染物分子机制方面的可靠性和优势，为未来环境健康研究提供重要启示。

3D细胞培养与空间代谢组学的结合，正推动生命科学研究从“平面”向“立体”、从“群体平均”向“单细胞/空间分辨”范式转变。这一技术融合不仅深化了对疾病机制的理解，也为药物研发、毒性评估及精准医疗提供了强有力的工具平台。

汇健科技提供领先的空间代谢组学解决方案，依托质谱成像平台与深度学习分析系统，支持类器官药物筛选、肿瘤免疫微环境解析等研究，为药物研发与精准医疗提供强大技术平台。

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