干细胞或不再是“贵族药”，MIT和康奈尔大学联手，让干细胞产量暴增400倍
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作者：戴维 | 主编：摩西
在过去的几十年里，干细胞疗法以其潜在的治愈能力引起了医学界的广泛关注。然而，传统的干细胞培养方法，通常使用二维的培养瓶或培养板，这种方式面临着许多挑战，例如产量低、质量不稳定、规模扩展性差等等。
因此，如何有效地制造高质量的干细胞成为了研究的焦点。最近，《转化医学杂志》上发表的一项研究描述了康奈尔大学和麻省理工学院设计的微载体-微生物反应器平台，正在悄然改变这一切。
传统的干细胞培养方式，这就像在一个狭窄的停车场里不停地调车：培养细胞的空间有限，环境条件不够稳定，导致细胞在生长过程中会变得“性格”各异。这种培养方式不仅难以扩展规模，还容易导致细胞的性状不一致，这对治疗效果是个大问题。
举个例子，就像你在家里种植蔬菜，你的花园土壤可能有不同的酸碱度、湿度和营养成分，这就导致了每一棵菜的味道和营养成分不一样。传统的干细胞培养瓶就像这个小花园，无法精确控制生长条件，因此，干细胞的质量和数量都受到限制。
细胞培养的“高科技温室”
而微载体技术的出现，为这个问题提供了一个全新的解决思路。微载体可以被视为一种“高科技温室”，其内部环境可以被精确控制，从而为细胞提供一个更加稳定和有利的生长条件。
康奈尔大学和麻省理工学院的发明的这种微载体，是由可溶解的明胶制成，具有合适的弹性，能够支持间充质干细胞（MSCs）的附着和生长。
微载体-微生物反应器设置和方案。来源：Journal of Translational Medicine (2024)。
在微生物反应器中，这些微载体可以悬浮在培养液中，并随着反应器的混合而不断旋转，从而确保每个细胞都能够接触到足够的营养物质和氧气。这就像把我们的花园搬进了一个全天候控制的温室中，每一株植物都可以得到最佳的生长条件。
更重要的是，这种微载体还解决了传统培养方式中的一些关键问题。例如，使用传统的培养瓶时，细胞往往需要经过多次的传代过程，这不仅增加了操作的复杂性，还容易导致细胞的性状发生改变和增加污染的概率。而在微载体技术下，细胞可以在一个更大的三维空间中生长，大大减少了传代的次数和操作的复杂性。
微载体技术与微生物反应器结合，形成了一个更为强大的细胞培养平台。在这个平台中，反应器不仅可以控制温度、pH值、氧气和二氧化碳水平，还可以动态调整这些参数以适应细胞的生长需求。
这种精细的控制能力使得细胞的产量和质量大大提高。例如，在某些实验中，这种平台的生产的细胞基因表达水平高达传统培养方式3-5 倍，培养的细胞数量是传统工艺的 400 倍！
供体之间以及生长平台之间的细胞产量存在统计学上的显着差异
临床研究证实为什么微载体更优
在一项针对急性呼吸窘迫综合征（ARDS）的研究中，研究人员使用了这种新型微载体-微生物反应器平台，发现相比传统的培养方法，这种方法不仅提高了细胞的产量，还显著提升了细胞的关键质量属性（pCQAs）*。
编者注：pCQA是指细胞产品批次间潜在关键质量属性，是对对细胞产品质量概况的定义
其中一个显著的结果是，使用微载体技术培养的细胞，其基因和蛋白质表达水平大大提高，有些基因表达量甚至是传统方法的几十倍。研究发现，通过微载体平台培养的细胞在生产治疗性蛋白质（如IL-10和IDO1）方面表现优异，这些蛋白质在抑制炎症反应和促进组织修复方面具有重要作用。换句话说，这些细胞不仅数量更多，而且质量更好，更符合临床应用的要求。
与改善的治疗效果相关的基因都表达上调
在微载体-微生物反应器平台的帮助下，科学家成功大规模扩增了MSCs，并在实验中验证了其有效性。数据显示，这些通过新平台培养的MSCs显著降低了ARDS模型小鼠的肺部湿干比（W/D比值，从5.6降至3.8），并且减少了炎症因子IL-1β和IL-6的水平，分别减少了60%和75%。
微载体技术-解决细胞制造难以规模化的难题
传统的工艺培养细胞面临以下问题：
成本高昂，患者负担不起：细胞制造的成本居高不下，主要原因在于生产过程中的质量控制和纯化步骤复杂、耗时长，且数量少。例如，某些特定类型的治疗性干细胞，其生产成本可能达到每剂数万美元，这使得细胞疗法对于普通患者来说难以承受；
细胞标准不一，审批难度大：各国的药品审批机构（如美国FDA、欧洲EMA）对细胞产品的标准不尽相同。在某些国家，一种细胞产品需要完成一系列的复杂测试，包括细胞的稳定性、纯度、特异性等，以证明其安全性和有效性。这不仅增加了时间成本和经济负担，还使得细胞产品的全球推广难度加大；
制造过程复杂，难以实现规模化生产：细胞培养涉及到诸多变量，包括培养基成分、温度、湿度、氧气浓度等的微调，这使得不同批次的细胞产品之间存在变异性。特别是在大规模生产时，这种变异性会放大，导致产品质量不一致，从而影响疗效；
临床转化障碍重重：尽管实验室研究取得了一些成功，但在实际临床应用中，许多新型细胞疗法仍需面对许多实际问题，如患者个体差异、疾病异质性和治疗环境的复杂性等。这些问题增加了临床转化的难度，也让细胞疗法的推广面临更多挑战；
而微载体技术的潜力不仅限于提高细胞的产量和质量，还可能在未来的许多领域中得到广泛应用。例如，这种技术可以用于制造用于心脏病、骨关节炎、免疫系统疾病等多种疾病治疗的细胞产品。更有意思的是，这种技术还有望应用于一些高难度的疾病，如肺纤维化、移植排斥反应等，甚至可能帮助开发出新的癌症疗法。
微生物反应器对 MSC 培养的优势概述
在细胞疗法的领域中，微载体-微生物反应器平台无疑为我们带来了一个更高效、更稳定的细胞培养方法，使细胞产品从实验室走向临床的大规模应用成为可能。通过提供一个精确可控的环境，这种技术不仅提高了细胞的产量和质量，还为细胞疗法的广泛应用铺平了道路。
未来，随着更多的研究和应用，这种技术有望彻底改变我们对疾病的治疗方式。就像把传统的“露天菜园”变成了“高科技温室”，微载体技术正在逐步改变细胞治疗的游戏规则，让更多的患者看到治愈的希望。尽管前路漫长，但科学家们的努力和创新，将使我们离这个目标越来越近。
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