發(fā)布時間：2025-05-15 瀏覽量：0
前言
INTRODUCTION
間充質(zhì)干細(xì)胞（MSC）因其在應(yīng)對多種疑難病癥，如神經(jīng)、骨骼、關(guān)節(jié)和心血管疾病等方面的臨床研究中展現(xiàn)出巨大潛力，近年來備受關(guān)注。隨著研究的深入，人們逐漸意識到，要將 MSC 的潛力充分轉(zhuǎn)化為臨床應(yīng)用，大規(guī)模、高質(zhì)量的細(xì)胞生產(chǎn)是關(guān)鍵。而在這一過程中，生物反應(yīng)器系統(tǒng)正嶄露頭角，成為推動 MSC 走向臨床乃至未來商業(yè)化的核心技術(shù)。
MSC 作為一種貼壁依賴性細(xì)胞，傳統(tǒng)的培養(yǎng)方式多為在細(xì)胞培養(yǎng)瓶中的靜態(tài)培養(yǎng)。這種方法存在諸多弊端。
頻繁的手動操作使得污染風(fēng)險大幅增加 ，封閉式機器人系統(tǒng)雖可作為一種解決方案，但成本較高。在二維（2D）條件下培養(yǎng)，細(xì)胞需要經(jīng)過一系列傳代，這不僅可能改變細(xì)胞表型，導(dǎo)致細(xì)胞衰老，而且為了獲得治療所需的大量細(xì)胞，需要占用較大的空間。此外，基礎(chǔ)細(xì)胞培養(yǎng)基缺乏細(xì)胞生存、生長和分化所需的生物信號因子，常用的胎牛血清又可能引入異源蛋白，引發(fā)免疫反應(yīng)，同時細(xì)胞還面臨被病毒、支原體和朊病毒等感染的風(fēng)險。
生物反應(yīng)器系統(tǒng)是一種模擬體外環(huán)境的先進(jìn)設(shè)備，能夠為細(xì)胞生長和擴增提供理想條件。與傳統(tǒng)培養(yǎng)方法相比，它具有顯著優(yōu)勢。
首先，生物反應(yīng)器通過優(yōu)化細(xì)胞培養(yǎng)條件，如精準(zhǔn)控制溫度、pH、氣體濃度和培養(yǎng)基成分，為MSC營造了更加穩(wěn)定和適宜的生長環(huán)境 。在傳統(tǒng)培養(yǎng)中，細(xì)胞生長受限于培養(yǎng)皿底部的營養(yǎng)物和氧氣供應(yīng)，而生物反應(yīng)器可通過攪拌增加培養(yǎng)液混合，確保細(xì)胞均勻獲取養(yǎng)分和氧氣[1]。其次，在細(xì)胞擴增和產(chǎn)量方面，生物反應(yīng)器表現(xiàn)出色。傳統(tǒng)培養(yǎng)中 MSC 的擴增受限于細(xì)胞增殖速率和堆積問題，生物反應(yīng)器則通過提供更大的生長表面積和更優(yōu)的氧氣供應(yīng)，有效解決了這些難題，能夠在較短時間內(nèi)獲得更高的細(xì)胞產(chǎn)量 。此外，生物反應(yīng)器系統(tǒng)多為封閉系統(tǒng)，大大減少了外界污染風(fēng)險，提高了細(xì)胞培養(yǎng)的質(zhì)量和純度。
近年來，利用生物反應(yīng)器培養(yǎng) MSC 取得了眾多的成果[2]。例如，有研究采用微載體生物反應(yīng)器培養(yǎng)技術(shù)，與傳統(tǒng)平面擴增方法相比，單位體積細(xì)胞產(chǎn)量可提高近 80 倍。這種微載體懸浮培養(yǎng)方式具備易于擴增、營養(yǎng)物質(zhì)分布更均勻、可在線 / 離線監(jiān)測以及多種補料策略等優(yōu)點，更好地滿足了美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）對實施過程分析技術(shù)（PAT）的建議 。再如，國內(nèi)一研發(fā)團(tuán)隊首創(chuàng)的 3D 無載體懸浮培養(yǎng)技術(shù)，實現(xiàn)了多項核心創(chuàng)新。通過生物反應(yīng)器無載體懸浮培養(yǎng)技術(shù)，其年產(chǎn)能可達(dá)10萬劑，滿足全球臨床需求。在急性缺血性腦卒中模型中，3D - MSC 靜脈注射后顯著縮小梗死面積 58%（p<0.01），展現(xiàn)出良好的研究效果。
盡管生物反應(yīng)器培養(yǎng) MSC 前景廣闊，但在實際應(yīng)用中仍面臨一些挑戰(zhàn)。以微載體培養(yǎng)為例，細(xì)胞在微載體上的附著需要通過碰撞和黏附實現(xiàn)，這一過程耗時較長 。攪拌雖有助于營養(yǎng)物質(zhì)和氣體交換，但也會引入剪切力，影響細(xì)胞生長，甚至誘導(dǎo)細(xì)胞分化 。在細(xì)胞收獲環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的蛋白水解酶脫離方法可能影響細(xì)胞免疫表型，且許多相關(guān)材料來源于動物，不適合臨床實踐 。針對這些問題，研究人員正在積極探索解決方案。在攪拌控制方面，通過將生物反應(yīng)器攪拌速率維持在較低限速，既能滿足傳質(zhì)需求，又可避免微載體在死區(qū)堆積[3]。同時，考慮體積能量耗散和葉輪尖端速度等因素，根據(jù)培養(yǎng)時間調(diào)整攪拌速度 。在細(xì)胞收獲方面，有研究嘗試使用酶的混合物并減少暴露時間，以降低對細(xì)胞的影響 。此外，開發(fā)新型無動物源的細(xì)胞脫離方法也是重要的研究方向。
圖 MSC在微載體上貼壁培養(yǎng)
隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步與完善，生物反應(yīng)器培養(yǎng) MSC 有望在細(xì)胞技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮更為重要的作用。
一方面，它將進(jìn)一步推動干細(xì)胞技術(shù)的臨床轉(zhuǎn)化，為更多患者帶來新的希望，如在急性缺血性腦卒中、心肌梗死、脊髓損傷等重大疾病的應(yīng)對得更顯著的成效 。另一方面，生物反應(yīng)器培養(yǎng)技術(shù)的發(fā)展也將促進(jìn)整個細(xì)胞技術(shù)產(chǎn)業(yè)的升級，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。從更宏觀的角度看，生物反應(yīng)器培養(yǎng) MSC 技術(shù)的成熟，將為再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展注入強大動力，助力我國乃至全球在該領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)新的突破，引領(lǐng)生命科學(xué)研究邁向新的高度。
【注】文章內(nèi)容旨在科普細(xì)胞知識，進(jìn)行學(xué)術(shù)交流分享，了解行業(yè)前沿發(fā)展動態(tài)，不構(gòu)成任何應(yīng)用建議。
