不只是胶水替代血清！详解造血干细胞体外大量扩增的秘密！
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造血干细胞的扩增，一直是干细胞领域的圣杯！
撰文：木木先生
来源：干细胞者说
众所周知，在我们的整个生命周期中，长期存活的造血干细胞（Hematopoietic stem cell ，HSC）能够分化为所有类型的血细胞：白细胞、红细胞和血小板。干细胞的两大特点之一就是它们能够“自我更新”形成更多的子代干细胞，子子孙孙无穷匮也。也正是基于干细胞的这种特点，仅仅很少数量的造血干细胞就能产生人体一生当中所需的所有血细胞，堪称四两拨千斤。
造血干细胞和她的孩子们
在治疗免疫缺陷病和白血病的过程中，移植后的造血干细胞将承担起重建血液系统的重任。然而到目前为止，研究人员一直都无法在实验室中培养出足够数量的造血干细胞。
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造血干细胞扩增重大突破
在近期的世界顶级期刊Nature 一篇论文中，来自东京大学和斯坦福大学的研究团队发明了一种新的无血清培养体系，成功在实验室中稳定地培养出造血干细胞。研究人员在一个月内，最高将小鼠HSC扩增到其原始数量的899倍，然后将其回输给另一组小鼠中，成功增殖并分化成各种血液成分。没有出现异常排斥，证实体外扩增的细胞与体内细胞没有明显排斥。
下一步工作将是，尝试获得可长期稳定培养人源造血干细胞的无血清培养体系，为临床应用提供丰富的种子细胞。
其培养体系的核心成份是：高浓度的促血小板生成素（TPO），低浓度的干细胞生长因子（SCF）。同时采用低浓度的纤维粘连蛋白进行包被培养皿。与过去一些培养液成本高昂不同，这个培养体系中使用聚乙烯醇替代血清，不但降低了成本，还可以减少血清中杂质污染，实现GMP生产质量控制。
对于这个新的造血干细胞培养体系，我们将其中几个关键问题一一做下解析：
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解析一：TPO/SCF的比例很重要
100 ng/ml促血小板生成素（TPO）和10ng/ml 干细胞生长因子（SCF）的培养条件是最适合造血干细胞生长。在这种条件下，造血干细胞连续培养到18周，可以得到的干细胞与正常外周血30%的嵌合度，而且该体系只适合造血干细胞增殖，不适合造血祖细胞增殖。
两种因子的最佳拍档
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解析二：纤维粘连蛋白，可以全量换液
由于造血干细胞是悬浮培养，培养基换液通常采用半量换液方式。采用纤维粘连蛋白包被培养器皿进行贴壁培养后，就可以采用全量换液方式。在这种培养体系中，造血干细胞增殖与悬浮培养时相似，而且可以维持活性时间更长。在这种条件下，造血干细胞连续培养到16周，可以得到的干细胞与正常外周血近100%的嵌合度。
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解析三：地塞米松，可抑制细胞因子分泌
造血干细胞在增殖过程中，会产生大量细胞因子，如IL6会刺激造血祖细胞的增殖，对造血干细胞造成污染，而且会在回输体内后造成免疫炎症反应，形成细胞因子风暴。，在这个培养体系中，采用加入地塞米松的方式，来抑制细胞因子的分泌。
细胞因子的变化显示，有炎症反应
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解析四：聚乙烯醇，廉价且成分单一
在临床级干细胞的制备过程中，血清是被视为杂质的，因为会给人体带来炎症反应，同时也不符合GMP生产要求。但是，血清作为氨基酸的重要来源，又是细胞培养必需成分，培养体系必不可少，因此需要找到替代物。聚乙烯醇是非常好的血清替代物，经常在胚胎干细胞培养中使用。
在这个培养体系中，聚乙烯醇可以作为血清替代物来使用。人源造血干细胞的培养体系中加入聚乙烯醇，可以维持其稳定的细胞活性，但是在增殖上要比鼠源造血干细胞弱很多。比起昂贵的血清，作为一种廉价且成分单一的血清替代物，聚乙烯醇值得去研究，有望实现规模化生产临床级造血干细胞。
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回顾总结
研究结果显示，从小鼠骨髓中获得原始的50个造血干细胞，体外增殖28天，可以得到长期保持活性的造血干细胞。原始样本中的造血干细胞数量增加了236倍到899倍，达到了前所未有的水平。当他们把新生长的细胞移植到没有接受过清髓预处理的小鼠体内时，这些动物的血液和免疫细胞都是从移植的造血干细胞和自身的造血干细胞中发展而来，这表明移植的干细胞已经成功并发挥了功能。
如果这套培养体系可以成功地优化培养人源造血干细胞，它可能会为再生医学和基础研究做出巨大的贡献。
主要参考文献：
Long-term ex vivo haematopoietic-stem-cell expansion allowsnonconditioned transplantation Adam C.Wilkinson etl.nature 2019／5／29
题外话：
据日本媒体报道，日本研究人员尝试过用在便利店就能买到的普通胶水进行实验，发现用于培养造血干细胞也有一定效果。这让研究人员感到“吃惊”。
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