Nature子刊新突破！AI驱动HCS-3DX系统实现3D类器官单细胞筛选，重塑药物研发与精准医疗格局

一款新药从实验室走向病床，往往要闯过无数关卡，细胞模型的筛选就是最关键的“试金石”。过去几十年，科研人员习惯用二维细胞培养做实验，但这些平铺的细胞没法还原体内复杂的组织微环境，经常导致实验室里效果不错的药物，到了临床就“水土不服”。后来三维细胞培养也就是常说的3D类器官，包括球体、类器官这些更像体内组织的模型，逐渐成为新方向，可它的标准化培养、精准操作、高清成像和数据分析一直是难啃的硬骨头。

好在近日发表于Nat Commun的一项研究HCS-3DX, a next-generation AI-driven automated 3D-oid high-content screening system给出了全面解决方案，一款名为HCS-3DX的AI驱动自动化3D类器官高内涵筛选系统，把这些难题一一破解。

HCS-3DX的核心由三部分构成：AI驱动的微操作器SpheroidPicker负责3D类器官的筛选与转移，优化设计的氟化乙烯丙烯（FEP）薄膜多孔板提升成像效率，基于生物学图像分析软件（BIAS）开发的AI数据分析流程则实现单细胞水平的数据解读。从3D细胞培养生成，到AI挑出形态均一的类器官，再到自动化转移、光片荧光显微镜（LSFM）成像，最后提取单细胞特征，整个流程实现全自动化，彻底打通3D类器官高内涵筛选的关键环节。

为验证系统性能，研究团队设计多组实验。在类器官预筛选环节，他们对比不同放大倍数的物镜，发现5x和10x物镜能在保证成像准确的同时，把成像速度提升20%-45%；20x物镜分辨率最高，但耗时也更长，这为后续实验选择参数提供明确依据。更关键的是，他们让3位经验丰富的研究者按照相同方案，生成426个单培养和共培养类器官，结果发现即便操作步骤一致，类器官的大小和形态还是差异明显，而HCS-3DX的AI预筛选功能能精准挑出形态均一的样本，有效保障实验的重复性。

图1 HCS-3DX：一种用于3D类器官单细胞水平3D成像和分析的AI驱动高内涵筛选系统

在成像环节，定制的HCS多孔板表现尤为突出。和传统用培养皿加琼脂糖包埋的方法比，这种多孔板在图像质量上没差别，但筛选时间直接减半——前者要102±9分钟，后者只要48±7分钟，其中样本制备和设备校准环节的效率提升最明显。而且它兼容性很强，不管是直径350μm的固定类器官、光学透明的类器官，还是活细胞成像、水凝胶基多细胞模型，都能轻松应对。

图2 HCS板与传统成像方法的定性比较

研究团队还专门对比2D和3D特征的关联性，结果发现2D特征里的坚实度和3D特征相关性最高，但只靠2D特征会低估类器官体积，还没法完整描述形态。比如球形类器官的2D体积、坚实度和3D特征的相关性最高能到0.78，可不规则类器官的相关性就低很多。另外，单细胞核分割分析显示，3D体积和细胞数量的相关性更紧密——单培养类器官是0.83，共培养是0.90，而2D面积和细胞数量的相关性只有0.53和0.62，这说明3D分析才能更真实反映类器官的实际状态。

图3 2D和3D特征的比较

在肿瘤类器官模型的验证中，HCS-3DX更是展现出单细胞水平的精准分析能力。研究团队分析114个HeLa Kyoto/MRC-5共培养类器官，发现63%的类器官以MRC-5细胞为主，25%以HeLa Kyoto细胞为主，只有12%的类器官细胞比例均衡。这两类细胞在体积、核间距上差异显著，而且细胞比例会影响类器官整体大小，但不会改变它的坚实度。更有意思的是，细胞数量和3D体积的相关性在细胞比例均衡的类器官里最高，达到0.91，这为研究肿瘤微环境提供更精细的数据支持。

图4 共培养类球体的单细胞分析

还有一个重要发现——只靠2D特征根本没法区分球形和不规则类器官，很容易出现误判，但HCS-3DX的3D分析流程能精准捕捉这种结构差异，这对复杂的共培养模型来说格外重要，毕竟细胞的空间分布和结构直接关系到它的生物学功能和对药物的反应。

图5 基于2D特征的球形和不规则类球体散点图

对生物医药领域来说，HCS-3DX的出现不只是一次技术升级，更是为药物研发和精准医疗搭建起一座桥梁。它的自动化操作减少人为误差，单细胞分辨率让数据更精准，高效的成像和分析流程还缩短实验周期。未来，它不仅能让药物筛选结果更贴近临床实际，助力个性化治疗方案的制定，还能推动肿瘤生物学、再生医学等领域对细胞行为的深入研究。随着精准医疗的不断推进，HCS-3DX有望成为科研人员的得力助手，加速更多创新药物从实验室走向患者，让更精准的治疗不再遥远。（生物谷Bioon.com）

参考文献：

Diosdi A, Toth T, Harmati M, et al. HCS-3DX, a next-generation AI-driven automated 3D-oid high-content screening system. Nat Commun. 2025;16(1):8897. Published 2025 Oct 7. doi:10.1038/s41467-025-63955-5