在药物研发领域，肝毒性评估是决定候选药物能否进入临床阶段的关键环节。传统二维（2D）细胞培养模型因无法真实模拟体内肝细胞的三维微环境，导致预测准确性不足，而动物实验又存在伦理争议和种属差异问题。近年来，自动化微重力三维培养系统凭借其独特的力学环境模拟能力和高通量筛选优势，正成为肝毒性评估领域的革命性工具。

一、技术原理：重构肝细胞的三维生存空间

自动化微重力三维培养系统的核心在于通过旋转壁容器（Rotating Wall Vessel, RWV）或随机定位仪（Random Positioning Machine, RPM）技术，使细胞培养容器在三维空间中进行低速旋转（通常<10 rpm）。这种运动方式通过分散重力矢量，有效抵消地球重力对细胞的影响，同时利用液体黏度与旋转抬升力的平衡，将剪切力控制在0.01 Pa以下，接近体内肝血窦的力学环境。

在此环境下，肝细胞摆脱二维培养中的平面铺展限制，通过细胞间黏附分子（如E-cadherin）自发聚集形成直径100-200μm的球状聚集体（肝球）。这种结构不仅在形态上模拟了肝小叶的六边形排列，更在功能上重建了肝细胞极性——基底膜侧表达整合素β1，顶膜侧分泌白蛋白，胆管样结构内可见CK19阳性细胞。实验数据显示，微重力三维培养的肝球中细胞色素P450（CYP450）酶活性较二维培养提升3倍，白蛋白合成量增加5倍，且功能维持时间从7天延长至35天以上。

二、自动化集成：突破高通量筛选瓶颈

系统通过模块化设计实现全流程自动化：

1.细胞接种与培养：采用微流控芯片技术，将单细胞悬液精准分配至96/384孔板中的U型微孔，每个微孔可形成1个标准化肝球。结合温度/CO₂/湿度三参数控制系统，确保培养环境稳定性。

2.药物暴露与动态监测：集成自动化液体处理工作站，可同时向各孔添加不同浓度药物，并通过高内涵成像系统实时追踪肝球直径变化、细胞凋亡（TUNEL染色）及钙离子流动态。

3.毒性终点检测：采用多功能微板检测系统，整合荧光偏振（检测CYP450活性）、化学发光（ATP含量测定）及流式细胞术（线粒体膜电位分析），实现多参数毒性评估。

以晟华信Cellspace-3D系统为例，其单次可处理384个样本，每日完成超过3000个化合物的毒性筛选，较传统方法效率提升20倍。在2025年12月《自然·通讯》发表的研究中，该系统成功从700种金属复合物中筛选出一种基于铱的抗生素候选药物，其肝毒性预测与灵长类动物实验结果吻合度达92%。

三、临床转化价值：从模型到药物的跨越

1.疾病机制研究：通过构建患者来源的诱导多能干细胞（iPSCs）肝球，可模拟遗传性肝病（如Wilson病）的铜代谢异常，为靶点验证提供精准模型。

2.药物研发优化：在抗肿瘤药物开发中，系统可同时评估药物对肝细胞和肿瘤细胞的双向毒性。例如，在阿霉素心脏毒性研究中，发现其肝代谢产物ACN-Dox的毒性是原药的3.7倍，直接推动了给药方案的修订。

3.航天医学应用：针对微重力环境导致的肝酶活性改变，系统已用于筛选保护性药物。国际空间站实验显示，N-乙酰半胱氨酸可逆转微重力引起的谷胱甘肽耗竭，相关成果已纳入NASA航天员健康保障指南。

四、技术挑战与未来方向

当前系统仍面临两大瓶颈：一是肝球中心区域易因营养/氧气扩散受限发生坏死，需结合声波操控技术实现动态灌注；二是类器官成熟度不足，需通过共培养肝星状细胞和库普弗细胞构建更复杂的肝微组织。随着AI驱动的过程控制算法和数字孪生技术的引入，未来系统有望实现培养参数的实时优化，将肝毒性评估周期从数周缩短至72小时，为个性化医疗提供关键技术支撑。

自动化微重力三维培养系统正以独特的力学调控能力和高通量优势，重塑药物肝毒性评估的范式。随着生物技术与工程技术的深度融合，这一技术平台必将推动药物研发进入"精准预测"的新时代。