在湍流環(huán)境下，利用人誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞大規(guī)模產(chǎn)生1000億個(gè)血小板

來(lái)源：作者：人氣：-發(fā)表時(shí)間：2018-07-16 15:33:00【大中小】

輸血是最常見(jiàn)的細(xì)胞治療形式之一，每年有近500萬(wàn)美國(guó)人接受輸血。在不久的將來(lái)，捐助者的血液供應(yīng)預(yù)計(jì)不會(huì)滿足一些國(guó)家的患者需求。導(dǎo)致該問(wèn)題的一個(gè)因素是一些血液成分的保質(zhì)期短。特別是，人類捐獻(xiàn)的血小板在美國(guó)的保質(zhì)期僅為5天，這是因?yàn)樗鼈儠?huì)逐漸喪失其聚集能力并且易受細(xì)菌污染。有時(shí)需要輸注血小板來(lái)治療一種被稱作血小板減少癥（thrombocytopenia）的疾病，在這種疾病中，血小板缺乏會(huì)增加危及生命的失血風(fēng)險(xiǎn)。血小板的預(yù)期短缺促進(jìn)人們尋找不依賴血液捐獻(xiàn)的替代來(lái)源。

人誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞（human induced pluripotent stem cell, hiPSC）提供了一種可持續(xù)地產(chǎn)生足夠數(shù)量的血小板用于輸注的方法。這種方法涉及將從人類供者體內(nèi)獲取的血細(xì)胞或皮膚細(xì)胞在進(jìn)行表觀遺傳學(xué)重編程后進(jìn)入胚胎干細(xì)胞樣狀態(tài)，然后將這些未成熟細(xì)胞轉(zhuǎn)化為在身體不同部位發(fā)現(xiàn)的特化細(xì)胞類型。然而，在此之前利用源自hipsC的巨核細(xì)胞產(chǎn)生血小板的嘗試未能達(dá)到適合臨床制造的規(guī)模。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，日本京都大學(xué)iPS細(xì)胞研究與應(yīng)用中心的Koji Eto及其團(tuán)隊(duì)注意到在培養(yǎng)瓶中旋轉(zhuǎn)時(shí)，源自hiPSC的巨核細(xì)胞產(chǎn)生的血小板數(shù)量要比在培養(yǎng)皿中的靜態(tài)條件下的多。這一觀察結(jié)果提示著來(lái)自水平搖動(dòng)的物理應(yīng)力促進(jìn)血小板產(chǎn)生。在這一發(fā)現(xiàn)之后，Eto團(tuán)隊(duì)在一種帶有一個(gè)流動(dòng)腔室和多個(gè)支柱的新型微流體系統(tǒng)中測(cè)試了一種基于搖擺袋的生物反應(yīng)器，然而，當(dāng)采用這些裝置時(shí)，每個(gè)源自hipsC的巨核細(xì)胞產(chǎn)生少于20個(gè)的血小板。

為了研究產(chǎn)生血小板的理想物理?xiàng)l件，在一項(xiàng)新的研究中，Eto和他的團(tuán)隊(duì)接下來(lái)對(duì)小鼠骨髓---產(chǎn)生血液組分的組織---進(jìn)行了實(shí)時(shí)成像研究。這些實(shí)驗(yàn)表明巨核細(xì)胞僅當(dāng)暴露于湍流血流時(shí)才會(huì)產(chǎn)生血小板。為了驗(yàn)證這一想法，模擬結(jié)果表明他們之前測(cè)試過(guò)的生物反應(yīng)器和微流體系統(tǒng)缺乏足夠的湍流能量。相關(guān)研究結(jié)果于2018年7月12日在線發(fā)表在Cell期刊上，論文標(biāo)題為“Turbulence Activates Platelet Biogenesis to Enable Clinical Scale Ex Vivo Production”。

圖片來(lái)自Misaki Ouchida/Kyoto University。

Eto說(shuō)，“發(fā)現(xiàn)湍流在血小板生成中的關(guān)鍵作用極大拓展了之前的研究---表明來(lái)自血流的剪切應(yīng)力（shear stress）也是這一過(guò)程的一個(gè)關(guān)鍵的物理因素。我們的研究結(jié)果還表明，對(duì)產(chǎn)生血小板而言，hiPSC并不是一切中的一切。除了hipsC技術(shù)之外，理解流體動(dòng)力性質(zhì)也是我們的發(fā)現(xiàn)是所必需的。”

在對(duì)各種設(shè)備進(jìn)行全面測(cè)試后，這些研究人員發(fā)現(xiàn)使用一種被稱作VerMES的生物反應(yīng)器可以大規(guī)模地產(chǎn)生高質(zhì)量的血小板。這種系統(tǒng)由兩個(gè)橢圓形的水平定向的混合葉片組成，這兩個(gè)混合葉片通過(guò)在氣缸中上下移動(dòng)產(chǎn)生相對(duì)高水平的湍流。由于這種葉片運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的最佳湍流能量水平和剪切應(yīng)力，由hipsC產(chǎn)生的巨核細(xì)胞產(chǎn)生了1000億個(gè)血小板---足以滿足臨床需求。

在兩種血小板減少癥動(dòng)物模型中開(kāi)展的輸注實(shí)驗(yàn)表明這些血小板在功能上類似于與人類捐獻(xiàn)的血小板。具體而言，在兔子的耳朵靜脈上產(chǎn)生切口和對(duì)小鼠的尾動(dòng)脈進(jìn)行穿刺后，這兩種類型的血小板都相當(dāng)程度地促進(jìn)血液凝固和降低出血時(shí)間。

當(dāng)前，Eto和他的團(tuán)隊(duì)正在通過(guò)設(shè)計(jì)自動(dòng)化方案、降低制造成本和優(yōu)化血小板產(chǎn)量來(lái)改進(jìn)他們的方法。他們還正在開(kāi)發(fā)缺乏人類白細(xì)胞抗原的通用血小板，以便降低產(chǎn)生免疫介導(dǎo)的輸注反應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)。

參考資料：

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