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清华大学医学院杜亚楠课题组在Tissue Engineering以封面文章报道一种新型多孔可降解微载体片剂实现人源间充质干细胞的大规模扩增 时间:2020-06-15

清华大学医学院杜亚楠教授研究组近期在组织工程领域权威期刊《组织工程》‘Tissue Engineering Part C: Methods.以封面文章的形式在线发表了“可分散式可降解3D多孔微载体片剂用于人源间充质干细胞的大规模扩增”的研究长文(Dispersible and Dissolvable Porous Microcarrier Tablets Enable Efficient Large-Scale Human Mesenchymal Stem Cell Expansion)。该研究中采用的3D TableTrix™微载片是一种新型多孔可降解的微载体片剂,配合全自动化生物反应器,为工业化大规模生产人源间充质干细胞(hMSCs)提供了可行的解决方案。

 

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人源间充质干细胞(hMSCs)在组织工程和再生医学中具有巨大的应用价值,是目前临床应用中最受青睐的成体干细胞之一。然而,hMSCs疗法的临床应用仍存在挑战,其中关键的瓶颈问题是间充质干细胞的高质量和规模化生产。据估计,临床细胞治疗每批次需要1010-1012个细胞才能够满足治疗需求,而传统的2D平面培养方式难以支持。同时由于hMSCs为贴壁细胞,现有生物反应器仅支持规模化培养悬浮细胞,用于生物制剂如蛋白类药物和疫苗生产。因此,研发适于hMSCs规模化扩增的体外培养载体成为行业发展的迫切需求。杜亚楠课题组长期致力于体外3D细胞培养微载体的开发和应用。本论文主要介绍了课题组自主研发的微组织工程技术,(已在北京华龛生物科技有限公司进行技术转化和产品化:3D TableTrix™微载片)用于干细胞体外大规模扩增的应用。该微载片采用独特片状设计,每片微载片厚度和直径仅为1.58±0.01mm和7.98±0.06mm,即开即用,遇水即可分散成数万多孔微载体颗粒,颗粒直径分布在200μm左右(图1)。3D TableTrix™微载片使用前无需进行复杂的准备过程,极大的简化了细胞培养的操作流程,便于高质量大规模hMSCs细胞扩增培养。

 

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图1.3D TableTrix™微载体颗粒

 

研究团队首先验证了采用3D TableTrix™微载片,在华龛生物自主研发的小型生物反应器(125mL培养瓶)中动态培养条件下hMSCs的生长情况。将AD-MSCs细胞接种到微载体上24h可实现高达98%的细胞贴附率,将2×106细胞接种到10片3D TableTrix™微载片上,培养4天,最终收获5.82±0.45×107细胞。随后在1L自动化生物反应器中放大培养,将2×107的微组织(含有细胞的微载体)接种到50片微载片上,通过3D原位球转球技术继续培养7天,最终hMSCs细胞收获量达到1.05±0.11×109,细胞扩增倍数超过500倍(图2),实现了从实验室小规模转瓶到1L生物反应器体系的工艺放大。

 

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图2.3D TableTrix™微载片及hMSCs规模化扩增

 

3D TableTrix™微载片, 遇培养基后自动分散为万千微载体 (A), hMSCs在生物反应器中规模化高活性培养(B),细胞连续扩增曲线及细胞活性(C),连续培养11天细胞扩增倍数(D)

 

使用3D TableTrix™微载片完成细胞扩增后,可通过特制裂解液裂解微载片收获纯细胞悬液,细胞回收率为98.6%±0.1%,细胞活性在90%以上。更重要的是3D TableTrix™微载片收获的细胞仍保留其免疫表型特征和三向分化潜能,且基因组稳定,无明显衰老表型(图3)。

 

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图3.细胞收获及质量评估

 

微载体降解过程中细胞荧光及明场状态(A),载体完全降解后细胞回收率和活性(B), 经3D TableTrix™微载片培养裂解收获后AD-MSCs表面标记物流式分析(C),三项分化潜能(D),核型分析(E)和衰老表型(F),其中图Ⅳ为阳性对照

 

本研究显示了3D TableTrix™微载片在3D干细胞大规模扩增制备中的应用潜能,结合华龛生物自主研发的3D FloTrix™ 自动化生物反应器,有望为干细胞技术的临床转化以及产业化提供新思路新方法。

本工作由清华大学医学院研究团队和北京华龛生物有限公司合作完成。 清华大学医学院杜亚楠教授为本论文通讯作者,北京华龛生物科技有限公司技术总监鄢晓君博士和研发工程师张昆为本文的共同第一作者。清华大学医学院博士生吕丞、北京华龛生物科技有限公司总经理刘伟博士、徐环叶、邓东凯和杨艳萍参与了此项工作。

 

论文链接:https://www.liebertpub.com/doi/10.1089/ten.tec.2020.0039


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