毒性筛选
最先进的药物代谢和毒性筛选试验常常使用来源困难且价格昂贵的原代细胞（如肝细胞、心肌细胞和神经元）在 2D 细胞培养模型中培养。长期的毒性测试通常在动物模型中进行。正如之前讨论的，这些模型非常不精确，而且可能会误导对人体内药物反应的预测。有几种 3D 细胞培养模型可能能够改善临床前毒性研究的预测性。
微加工和微流控技术已被用于制备了集中芯片器官模型。它们本质上是微缩的具有类似于体内功能的 3D 器官模型，可能证实可用于毒性测试。
使用可通透支持物在气液界面培养细胞促进了药物研发中许多体外 3D 模型的发展。其中最出名的, 应用就是肺上皮的 3D 模型。这些细胞模型模拟体内的组织，具有顶面-基底面极性，顶面有纤毛，能够分泌粘液。使用新鲜分离的鼻和支气管活组织制备的 ALI 培养已经有了商业化成品——MucilAir™ (Epithelix)，可用于研究对纳米颗粒、气体、烟和病毒感染的吸入性毒性反应。利用疾病供体的细胞结合使用 MucilAil™ 可用于模拟如哮喘、过敏、病毒感染和囊性纤维化之类的肺部疾病。ALI 培养可在内稳态中维持达 3-4 周，这通常仅在动物模型中可行，而非体外 2D 细胞培养系统。
另一种商业化的 ALI 培养是 EpiDerm™ (MatTek)，它是一种人类表皮模型，是通过在化学修饰的胶原包被细胞培养小室分化上皮角质形成细胞得到的。这一体外皮肤模型可重现正常人类皮肤的形态、结构和屏障功能特性，可用于研究皮肤毒性。已经使用 MatTek 制备了一些用于毒性测试的模型，如 EpiOcular™ (角膜), EpiAirway™ (肺), EpiOral™ (内颊) 等。
另一个潜在的改进药物发现的方法是通过制备分化自 PSC 的细胞。PSC 能够提供不受限制来源的难以分离的细胞，用于研究疾病机制、药物筛选和毒性测试。尤其是分化的心肌细胞、肝细胞和神经元一直被寻求用于毒性筛选。限制 PSC 使用的一大关键因素就是在酶解时容易凋亡，从而限制了这些细胞的大批量培养生产。Faulkner-Jones 对人最近第一次发现 ESC 可以生物打印到能在悬滴中培养的微滴中，以构建一致的球体并同时维持活力和功能。这些发现表明，可能可以使用定向分化的多能干细胞进行高通量筛选试验。使用 hPSC 源的细胞还可以规避药物反应研究中的物种特异性差异问题，这种问题在使用动物模型预测人体毒性时频发。
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