撰文丨王聰

編輯丨王多魚

排版丨水成文

對腫瘤細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）進(jìn)行精確建模，對于理解癌癥進(jìn)展、治療抵抗和轉(zhuǎn)移至關(guān)重要。然而，現(xiàn)有的體外模型往往難以復(fù)制細(xì)胞外基質(zhì)的生化復(fù)雜性和動態(tài)物理特性。

人工智能（AI），尤其是機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)，為設(shè)計模擬細(xì)胞外基質(zhì)的生物材料以及通過數(shù)據(jù)驅(qū)動的見解和預(yù)測模型來指導(dǎo)生物制造過程，提供了一種變革性策略。

2025 年 9 月 1 日，上海中醫(yī)藥大學(xué)欒鑫、湯忞、張衛(wèi)東等人在 Cell 子刊Cell Biomaterials上發(fā)表了題為：AI-guided biomaterials and biofabrication strategies for enhanced tumor extracellular matrix mimicry 的研究論文。

該綜述論文全面概述了人工智能（AI）方法如何融入腫瘤細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）建模的三個關(guān)鍵階段：材料配方、優(yōu)化生物制造工藝以及制造后分析。AI 能理性開發(fā)具有可調(diào)機(jī)械、化學(xué)和生物特性的生物墨水，提高打印精度和一致性，并支持對工程化 ECM 模型內(nèi)結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系的高通量探索。AI 增強(qiáng)的體外腫瘤建模有助于工程化腫瘤模型的合理設(shè)計和實時優(yōu)化，為構(gòu)建支持藥物發(fā)現(xiàn)和癌癥機(jī)制研究的生理相關(guān)平臺提供了強(qiáng)大的工具。除了腫瘤學(xué)之外，這一框架還可以擴(kuò)展到其他涉及細(xì)胞外基質(zhì)功能障礙的疾病，包括纖維化、神經(jīng)退行性疾病和炎癥性腸病。展望未來，建立標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)集、提高模型可解釋性以及納入臨床驗證對于彌合 AI 驅(qū)動的細(xì)胞外基質(zhì)建模與現(xiàn)實世界轉(zhuǎn)化影響之間的差距至關(guān)重要。

腫瘤的細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）在癌癥進(jìn)展中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，影響腫瘤的生長、遷移、侵襲以及對治療的抵抗。生物材料和生物制造技術(shù)的最新進(jìn)展使得能夠利用天然和合成生物材料以及 3D 生物打印和微流控等方法模擬某些 ECM 特征。然而，現(xiàn)有的方法在捕捉 ECM 的固有復(fù)雜性和動態(tài)行為方面仍存在局限性。

人工智能（AI）通過在 ECM 模型的三個階段——預(yù)處理（pre-process）、處理中（in-process）和處理后（post-process）——提高精度和適應(yīng)性來解決這些局限性。在預(yù)處理階段，AI 通過預(yù)測建模和初步設(shè)計選項探索來促進(jìn)生物材料的設(shè)計，從而實現(xiàn)定制化的材料特性。在處理中階段，AI 實現(xiàn)了對生物制造方法的實時監(jiān)測和優(yōu)化，包括對微球、3D 生物打印和微流控過程的精確控制，從而確保腫瘤 ECM 結(jié)構(gòu)和特性的準(zhǔn)確復(fù)制。最后，在處理后階段，AI 有助于對細(xì)胞外基質(zhì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行高通量分析，將生物物理特性與腫瘤行為聯(lián)系起來。通過在生物材料和生物制造工作流程的所有階段整合 AI，該綜述強(qiáng)調(diào)了在腫瘤細(xì)胞外基質(zhì)模型中可實現(xiàn)的更高精度、效率和動態(tài)性。

AI驅(qū)動的生物材料及用于復(fù)制腫瘤細(xì)胞外基質(zhì)的工程方法概述

正常組織與腫瘤組織細(xì)胞外基質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能差異示意圖

機(jī)器學(xué)習(xí)在材料設(shè)計中的應(yīng)用概述

用于水凝膠的各種交聯(lián)方法以及AI優(yōu)化方法的圖形表示

常見 3D 生物打印策略的示意圖

用于構(gòu)建類細(xì)胞外基質(zhì)腫瘤模型的AI增強(qiáng)型生物制造示意圖

機(jī)器學(xué)習(xí)在腫瘤模型設(shè)計中的應(yīng)用概述

總之，人工智能、生物材料和生物制造的融合正在徹底改變腫瘤細(xì)胞外基質(zhì)的模擬。通過超越傳統(tǒng)的反復(fù)試驗方法，人工智能（AI）不僅提高了三維模型的生理相關(guān)性，還為患者特異性藥物測試平臺奠定了基礎(chǔ)。隨著這些技術(shù)的成熟，它們有可能重新定義我們對細(xì)胞外基質(zhì)在癌癥進(jìn)展中作用的理解，并加速從實驗室到臨床的研究轉(zhuǎn)化。

論文鏈接：

https://www.cell.com/cell-biomaterials/fulltext/S3050-5623(25)00179-5