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Cell:在湍流环境下,利用人诱导性多能干细胞大规模产生1000亿个血小板

来源:本站原创 2018-07-14 07:08

2018年7月14日/生物谷BIOON/---输血是最常见的细胞治疗形式之一,每年有近500万美国人接受输血。在不久的将来,捐助者的血液供应预计不会满足一些国家的患者需求。导致该问题的一个因素是一些血液成分的保质期短。特别是,人类捐献的血小板在美国的保质期仅为5天,这是因为它们会逐渐丧失其聚集能力并且易受细菌污染。有时需要输注血小板来治疗一种被称作血小板减少症(thrombocytopenia)的疾病,在这种疾病中,血小板缺乏会增加危及生命的失血风险。血小板的预期短缺促进人们寻找不依赖血液捐献的替代来源。

人诱导性多能干细胞(human induced pluripotent stem cell, hiPSC)提供了一种可持续地产生足够数量的血小板用于输注的方法。这种方法涉及将从人类供者体内获取的血细胞或皮肤细胞在进行表观遗传学重编程后进入胚胎干细胞样状态,然后将这些未成熟细胞转化为在身体不同部位发现的特化细胞类型。然而,在此之前利用源自hipsC的巨核细胞产生血小板的尝试未能达到适合临床制造的规模。

为了解决这个问题,日本京都大学iPS细胞研究与应用中心的Koji Eto及其团队注意到在培养瓶中旋转时,源自hiPSC的巨核细胞产生的血小板数量要比在培养皿中的静态条件下的多。这一观察结果提示着来自水平摇动的物理应力促进血小板产生。在这一发现之后,Eto团队在一种带有一个流动腔室和多个支柱的新型微流体系统中测试了一种基于摇摆袋的生物反应器,然而,当采用这些装置时,每个源自hipsC的巨核细胞产生少于20个的血小板。

为了研究产生血小板的理想物理条件,在一项新的研究中,Eto和他的团队接下来对小鼠骨髓---产生血液组分的组织---进行了实时成像研究。这些实验表明巨核细胞仅当暴露于湍流血流时才会产生血小板。为了验证这一想法,模拟结果表明他们之前测试过的生物反应器和微流体系统缺乏足够的湍流能量。相关研究结果于2018年7月12日在线发表在Cell期刊上,论文标题为“Turbulence Activates Platelet Biogenesis to Enable Clinical Scale Ex Vivo Production”。
图片来自Misaki Ouchida/Kyoto University。

Eto说,“发现湍流在血小板生成中的关键作用极大拓展了之前的研究---表明来自血流的剪切应力(shear stress)也是这一过程的一个关键的物理因素。我们的研究结果还表明,对产生血小板而言,hiPSC并不是一切中的一切。除了hipsC技术之外,理解流体动力性质也是我们的发现是所必需的。”

在对各种设备进行全面测试后,这些研究人员发现使用一种被称作VerMES的生物反应器可以大规模地产生高质量的血小板。这种系统由两个椭圆形的水平定向的混合叶片组成,这两个混合叶片通过在气缸中上下移动产生相对高水平的湍流。由于这种叶片运动产生的最佳湍流能量水平和剪切应力,由hipsC产生的巨核细胞产生了1000亿个血小板---足以满足临床需求。

在两种血小板减少症动物模型中开展的输注实验表明这些血小板在功能上类似于与人类捐献的血小板。具体而言,在兔子的耳朵静脉上产生切口和对小鼠的尾动脉进行穿刺后,这两种类型的血小板都相当程度地促进血液凝固和降低出血时间。

当前,Eto和他的团队正在通过设计自动化方案、降低制造成本和优化血小板产量来改进他们的方法。他们还正在开发缺乏人类白细胞抗原的通用血小板,以便降低产生免疫介导的输注反应的风险。(生物谷 Bioon.com)

参考资料:

Yukitaka Ito13, Sou Nakamura13, Naoshi Sugimoto et al. Turbulence Activates Platelet Biogenesis to Enable Clinical Scale Ex Vivo Production. Cell, Published online: 12 July 2018, doi:10.1016/j.cell.2018.06.011

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