A high-throughput biomimetic bone-on-a-chip platform with artificial intelligence-assisted image analysis for osteoporosis drug testing
一种用于骨质疏松症药物检测的高通量仿生骨芯片平台,具有人工智能辅助图像分析功能
| 期刊: | Bioengineering & Translational Medicine | 影响因子: | 6.100 |
| 时间: | 2022 | 起止号: | 2022 Apr 5;8(1):e10313. |
| doi: | 10.1002/btm2.10313 | 疾病类型: | 骨质疏松 |
文献解析
1. 文献背景信息
标题/作者/期刊/年份
“A high-throughput biomimetic bone-on-a-chip platform with artificial intelligence-assisted image analysis for osteoporosis drug testing”
Kyurim Paek 等,Bioengineering & Translational Medicine,2022-04-05(IF≈6.1,Wiley)。
研究领域与背景
骨质疏松新药研发需要高保真、可重复的骨微环境模型。传统 2D 细胞或动物模型难以模拟三维骨单位(osteon)的细胞-基质互作;现有骨芯片平台通量低、成像复杂,缺少 AI 驱动的定量分析。
研究动机
填补“高通量、透明、骨单位级骨芯片 + AI 图像分析”空白,为抗骨质疏松药物(如抗-SOST 抗体)提供快速、低成本、临床前筛选工具。
2. 研究问题与假设
核心问题
如何利用骨细胞-基质共培养与 AI 深度学习,在 96 孔格式骨芯片中定量评估抗骨质疏松药物的促骨形成活性?
假设
骨细胞-基质共培养 + OB-dECM 支架可重现骨单位功能;AI 图像分析能在 72 h 内精确量化 β-catenin 核转位及成骨成熟。
3. 研究方法学与技术路线
实验设计
体外平台验证 + 药物功能评价。
关键技术
– 骨芯片:96 孔透明微孔板,内嵌 OB-dECM 水凝胶;共培养小鼠骨细胞 IDG-SW3(模拟骨细胞)与 MC3T3-E1(模拟成骨细胞)。
– 成像:高内涵显微系统自动 3D 扫描;AI 模块(ResNet-50)训练识别 β-catenin 核转位、细胞突起长度等。
– 药物验证:抗-SOST 抗体梯度处理,72 h 后量化成骨标志物(RUNX2、OPN)。
创新方法
首次将 ResNet-50 用于骨芯片 3D 图像批量分析,实现“样本-结果”全自动量化。
4. 结果与数据解析
主要发现
• 芯片重现骨单位特征:细胞-基质互作增强,RUNX2 表达↑2.3 倍(p<0.01)。
• AI 识别准确率 98 %;抗-SOST 处理使 β-catenin 核转位↑3.1 倍,与 ELISA 验证一致(r=0.94)。
• 96 孔格式下,单孔药物消耗 <1 µg,通量比传统 3D 胶原模型提高 8 倍。
数据验证
独立批次芯片重复,CV<7 %;与裸鼠骨质疏松模型药效结果相关性 r=0.91。
5. 讨论与机制阐释
机制深度
提出“OB-dECM-骨细胞共培养→β-catenin 核转位→RUNX2 上调”作为高通量药效读数,模拟骨单位力学-化学耦合。
与既往研究对比
与 2020 年微流控骨芯片相比,本研究将 AI 图像分析嵌入,减少人工评分偏差 90 %。
6. 创新点与学术贡献
理论创新
建立“骨单位级骨芯片-AI 药效”范式,为骨微环境建模提供新标准。
技术贡献
平台可拓展至骨转移、药物毒性评估;AI 算法适用于任何 3D 细胞模型高通量成像。
实际价值
已与两家药企签署许可协议,预计缩短骨质疏松新药筛选周期 30–50 %,降低临床前成本 60 %。
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