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在体外为干细胞培养搭建新型“阳光房”

来源:科技日报2021-10-13 13:17

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  通常干细胞获取比较困难,数量也极其有限。为了获取足够数量的干细胞,必须进行体外扩增。但随着扩增代数的增加,干细胞的生物学功能会逐渐减弱,干细胞可用代次受限,导致干细胞资源稀缺和成本高昂。

  随着人类在生命科学领域探索的不断深入,干细胞研究和应用已经成为科学界和全球生物医药行业关注的热点之一。尽管具有广阔前景,但干细胞研究和应用仍面临许多亟待解决的难题,干细胞高质量体外培养就是其中之一。

  南开大学生命科学学院杨军教授课题组,经过20余年的持续研究,开发出一套可以模拟体内微环境的干细胞仿生赋能系统,有效解决了目前干细胞体外培养效率低、费用高、安全性差、代际功能减损等问题,助力干细胞研究更好地走向应用。

  干细胞培养难题:不够用、不好用、不敢用、用不起

  干细胞,是人体发育过程中以及成体后体内存在的一类细胞,具有自我复制、多向分化等特点,常用于生长发育、疾病发生、药物筛选等科学研究。

  除此之外,干细胞还可以用于疾病治疗,例如胚胎干细胞分化的眼角膜给患者带来了光明;脐带造血干细胞可用于治疗遗传性或获得性造血系统疾病;间充质干细胞可对自身免疫病患者进行免疫调节等。

  然而,通常干细胞获取比较困难,数量也极其有限。为了获取足够数量的干细胞,必须进行体外扩增。但随着扩增代数的增加,干细胞的生物学功能会逐渐减弱,干细胞可用代次受限,导致干细胞资源稀缺、成本高昂,难以满足庞大的市场需求,极大限制了干细胞产业发展。因此急需一套解决干细胞数量严重短缺的方案。

  杨军向记者介绍,目前的干细胞培养系统存在四大痛点:增殖能力不足,细胞产量低;功能丢失,治疗效果差;干细胞纯度低,安全风险大;细胞资源稀缺,生产成本高。简而言之,现有的培养系统极易造成培养的干细胞不够用、不好用、不敢用和用不起的问题。

  模拟体内微环境,补齐干细胞最后一根“支柱”

  “这是由于一般的干细胞扩增使用的培养表面不能很好地模拟体内微环境导致的。”团队负责人、南开大学生命科学学院博士生陈国强介绍,在多细胞生物中,没有一个细胞是孤立状态,细胞间的相互作用尤为重要。如果把干细胞培养环境比作“房子”,细胞间相互作用就是一根重要的“支柱”,没有这根“支柱”,“房子”就会摇摇欲坠。

  研究团队首先筛选出多种细胞间相互作用蛋白,分析其基因以及蛋白序列,随后利用基因工程技术构建融合蛋白基因,通过生物合成技术稳定批量地制备人工基质蛋白产品,最后利用纳米涂层技术在传统材料表面形成人工基质蛋白涂层实现表面功能改性。

  团队制备的这一干细胞赋能系统,其基质成分明确稳定,量产纯度大于95%,且为人源蛋白,能够更好地调控人源干细胞,更为安全。同时,该系统能大规模构建细胞间相互作用的核心蛋白,模拟体内微环境,从而使细胞功能得以维持。

  此外,通过模拟调控干细胞生长的微环境,新系统还缩短了干细胞增殖周期,使可用的干细胞数量大大增加,扩大了干细胞的生产规模,降低了干细胞的生产成本且减少了患者等待的时间。

  “我们的培养技术补齐了干细胞培养的最后一根‘支柱’,仿生干细胞微环境,在体外构建了干细胞生存之家,而且还是一个温暖舒适的‘阳光房’,达到高效增殖、安全使用、功能提升和成本降低四大效果。”陈国强说。

  干细胞扩增技术成熟后,研究团队又开启了针对干细胞不同用途赋能系统的开发。干细胞的行为受到其所处的微环境影响,要想让干细胞发挥指定的功能,需通过微环境对其进行精准调控。

  为实现这一目的,团队不断优化,先后开发出心肌修复、血管再生、免疫调节以及关节修复等4种干细胞赋能系统。在相应疾病模型小鼠试验中,相较于传统基质表面培养的干细胞,新系统培养的干细胞具有更加显著的治疗效果。陈 曦

[ 责编:肖春芳 ]
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