在当前严峻的新冠肺炎防控战疫中,干细胞治疗作为新型治疗手段频繁传来捷报,近年来,可以说干细胞在很多应用领域屡立战功。今天我们就来盘点下干细胞培养中的那些事”:什么是3D干细胞培养?如何选择干细胞培养材料?如何实现干细胞在体外大量扩增培养?如搞定干细胞的大量生产!

故事还要从头说起……


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什么是干细胞?

 

干细胞是一类具有无限增殖潜能、可自我更新、在不同培养或诱导条件下能够分化成不同细胞类型的一类细胞。目前,随着医学治疗手段及干细胞研究的不断发展,发现干细胞可应用于很多疾病的治疗,如免疫系统疾病、内分泌系统疾病、生殖系统疾病等,干细胞临床应用日益广泛,逐渐成为科研工作者研究的热点。

 

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干细胞培养方法

 

当前干细胞最主要的培养方法仍是2D培养,2D培养仅在一个平面上支持干细胞生长,无法再现生物体内细胞真实的3D立体微环境。2D培养环境在生物活性、培养基结构、营养物质的释放等很多方面均远不及3D培养,使干细胞逐渐丧失其原有的性状、形态、结构和功能,导致其研究结果与体内试验结果经常不一致,精确性较低,所提供的培养环境与生物体内微环境差距甚大,必然对干细胞的增殖分化产生负面作用[1]。同时,2D培养增殖效率低,已经无法满足临床干细胞大剂量应用的需求。正是由于2D培养局限性太多,促使国内外学者对3D培养技术和3D培养体系进行深入探索。



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体外二维培养与三维培养对细胞形态影响的模式图(源自网络)

(A)2D培养中生长的从上面(顶部面板)观察图像,细胞表面保持正常形态; (B)3D培养中生长的从上面(顶部面板)观察图像,细胞表面保持正常形态; (C)2D培养中生长的从侧面(底部面板)观察图像,细胞厚度严重收缩; (D)3D培养中生长的从侧面(底部面板)观察图像,细胞厚度仍保持正常体内形态。

 

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什么是3D干细胞培养技术?

 

体外细胞培养的一个重要原则是需模拟体内细胞生长环境,该模拟系统中最重要的核心因素是细胞与培养环境之间的相互作用。不同于传统的二维单层细胞培养,三维干细胞培养技术(three-dimensional cell cultureTDCC,简称3D培养)是指通过细胞聚集建立细胞球或将细胞嵌入支架上或支架内来模拟真实生物体组织的ECM(细胞外基质),进而在一定程度上模拟体内微环境。3D培养技术既能保留体内细胞微环境的物质及结构基础,又能展现细胞培养的直观性及条件可控性的优势。

根据产品是否为细胞提供支撑材料,3D干细胞培养体系大体可分为有材料支撑培养和无材料支撑培养(通过细胞聚集形成细胞球体)两种类型。由于球体结构存在难以控制以及与天然组织的差异等缺陷,因而限制了其作为3D培养模型的应用。而3D有材料体系因为能够模拟活体组织复杂的三维立体结构而受到研究者青睐,成为当前3D干细胞主流培养体系。

 

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3D干细胞培养材料

 

3D干细胞培养材料中适宜的空隙结构、表面活性、机械强度及生物相容性,使干细胞能更好地在3D材料上黏附、增殖、分化,建立材料内部各组分与干细胞间的紧密联系及动态相互作用,形成一定的3D结构。

目前,常用的培养材料有天然材料(如胶原、透明质酸、纤维蛋白、壳聚糖)、合成材料(如聚乳酸、聚己酸内酯、聚乳酸-羟基乙酸、聚乙烯对苯二甲酸酯)以及新型复合材料(包括两大类:天然材料相互复合、天然材料与合成材料复合,是如今3D干细胞培养研究的热门)。

材料的主要作用是为细胞提供原始支撑,同时也作为可溶性因子的扩散媒介,保证干细胞与材料更好黏附、迁移、增殖、分化以及细胞的长期生长。3D干细胞培养材料必须满足以下特征:

(1) 三维多孔结构  适宜的空间结构和孔隙率,有利于干细胞的黏附、生长增殖。

(2) 较好的生物相容性  材料对干细胞无毒性作用,可以和干细胞稳定结合,且干细胞在生物体内不会诱发排斥或炎症反应等。

(3) 具备生物可降解性  有些材料可在生物体内自行降解,降解速率应保持在一个适宜范围内,过慢会蓄积体内影响组织生长,过快则无法起到支持干细胞生长的效应。

(4) 良好的表面活性  有利于干细胞与材料结合,可附带更多的生长因子,对其表达和释放也具有较好的促进作用。

(5) 良好的成型能力和合适的力学强度  良好的力学强度是其能够维持细胞生长空间的先决条件。材料的强度需和生物体内力学强度相匹配,这样才能长期稳定存在,否则无法承受生物体内负荷而损坏。

 


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3D干细胞培养系统

 

因为干细胞在有材料支撑体系中的生长更接近生物体内真实自然生长状态,所以在此推荐使用有材料支撑培养。

1)旋转式细胞培养系统(rotary cell culture systemRCCS)  通过反应器的不断旋转,在普通实验室内模拟微重力环境,使系统内的各种成分混合均匀,细胞在微重力环境可向任意方向进行生长,营养物质传递效率高,很好的促进细胞增殖,同时减少细胞的凋亡。

2)搅拌式生物反应器  搅拌式生物反应器本身具备混匀功能,使培养基中的各种成分混合均匀,从而保证干细胞生长环境中的各项指标在其生理范围内。搅拌式生物反应器的另外一个优势在于当培养基某一成分发生变化时,通过内部监测仪器可进行清楚监测,并通过人工干预及时纠正,适用范围广,悬浮细胞、贴壁细胞均可用该类型反应器培养。

3)灌注生物反应系统  最突出的优势在于系统内的营养物质可不断进行补充,同时将旧的培养液不断引出系统,废弃的培养液中不含细胞,这样不仅使细胞的养分充足,还可以减少毒性产物的蓄积,使细胞保持在最佳的生长状态,培养细胞的密度及质量可明显得到提高。


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华龛生物搅拌式生物反应器(亦可实现灌注式培养)

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 3D干细胞培养有什么好处?

 

3D干细胞培养不仅可以精确模拟再现体内干细胞生长的物质结构,还可以使培养的微环境更好的贴近于体内真实水平,对于细胞的稳定性提高及寿命延长具有显著意义。3D培养的精确性高,能为组织工程研究提供准确可靠的实验数据,而将干细胞运用到医学治疗领域的关键在于如何构建适宜的3D支撑材料,使干细胞在生物体内稳定地增殖分化以及实现干细胞在体外大规模扩增!

 

 

 

结语





传统的2D培养已无法满足我们对于干细胞的需求,且存在很多缺陷,因而3D干细胞培养的研究越来越受到重视和推广,对于3D干细胞培养而言,其先决条件是构建适宜的3D支撑材料。作为强有力的体外模型,随着组织工程技术的不断成熟,各种人工合成的高分子材料的涌现,3D干细胞培养系统发展必将有一个飞跃式的发展。华龛生物将继续围绕“3D干细胞大规模扩增进行潜心研究,肩负荣光与使命,协同干细胞相关机构共同打造干细胞再生医学全封闭式标准化生态产业链,为国家谋发展,为人类谋健康。