日本研究人員7月12日在Cell雜志上報(bào)道，湍流是促進(jìn)人體誘導(dǎo)多能干細(xì)胞(hiPSCs)大規(guī)模生產(chǎn)功能性血小板的關(guān)鍵物理因素。在生物反應(yīng)器中暴露于湍流能量刺激了hiPSC衍生的骨髓細(xì)胞，稱為巨核細(xì)胞，產(chǎn)生1000億血小板 - 血細(xì)胞碎片，通過(guò)形成血凝塊幫助傷口愈合并防止出血。此外，在兩種動(dòng)物模型中輸注這些血小板促進(jìn)血液凝固并且與人供體血小板一樣防止出血。

“湍流能量的發(fā)現(xiàn)為血小板的產(chǎn)生提供了新的物理機(jī)制和離體生產(chǎn)策略，應(yīng)該影響再生醫(yī)學(xué)的臨床規(guī)模細(xì)胞療法，”高級(jí)研究作者Koji Eto說(shuō)，他是iPS細(xì)胞研究中心的一部分。在京都大學(xué)申請(qǐng)。

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)人接受這種手術(shù)。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。造成這一問(wèn)題的一個(gè)因素是某些血液成分的保質(zhì)期短。

特別地，人類供體血小板在美國(guó)僅具有5天的保質(zhì)期，因?yàn)樗鼈冎饾u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)治療稱為血小板減少癥的病癥，其中血小板缺乏會(huì)增加危及生命的失血的風(fēng)險(xiǎn)。血小板的預(yù)期短缺刺激了研究人員尋找不依賴獻(xiàn)血的替代來(lái)源。

hiPSC提供了一種可再生的方法，用于產(chǎn)生足夠數(shù)量的血小板用于輸血。該技術(shù)涉及將從人類供體采集的血液或皮膚細(xì)胞進(jìn)行表觀遺傳學(xué)重編程為胚胎干細(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，先前從hiPSC衍生的巨核細(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。

在尋找這個(gè)問(wèn)題的解決方案時(shí)，Eto和他的合作者注意到hiPSC衍生的巨核細(xì)胞在燒瓶中旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的血小板多于在培養(yǎng)皿中的靜態(tài)條件下產(chǎn)生的血小板。該觀察結(jié)果表明，在液體條件下來(lái)自水平搖動(dòng)的物理應(yīng)力增強(qiáng)了血小板的產(chǎn)生。繼這一發(fā)現(xiàn)之后，研究人員測(cè)試了一種基于搖擺袋的生物反應(yīng)器，接著是一種帶有流動(dòng)室和多個(gè)支柱的新型微流體系統(tǒng)，但這些裝置每個(gè)hiPSC衍生的巨核細(xì)胞產(chǎn)生的血小板少于20個(gè)。

為了檢查產(chǎn)生血小板的理想物理?xiàng)l件，Eto和他的團(tuán)隊(duì)接下來(lái)對(duì)小鼠骨髓 - 產(chǎn)生血液成分的組織進(jìn)行了實(shí)時(shí)成像研究。這些實(shí)驗(yàn)表明巨核細(xì)胞僅在暴露于湍流血流時(shí)釋放血小板。為了支持這一想法，模擬證實(shí)他們之前測(cè)試的生物反應(yīng)器和微流體系統(tǒng)缺乏足夠的湍流能量。

“湍流在血小板生成中的關(guān)鍵作用的發(fā)現(xiàn)顯著擴(kuò)展了過(guò)去的研究，表明來(lái)自血流的剪切應(yīng)力也是這一過(guò)程中的關(guān)鍵物理因素，”Eto說(shuō)。“我們的研究結(jié)果還表明，iPS細(xì)胞不是生產(chǎn)血小板的最終目標(biāo)。除了iPS細(xì)胞技術(shù)之外，了解流體動(dòng)力學(xué)對(duì)于我們的發(fā)現(xiàn)是必要的。”

在對(duì)各種設(shè)備進(jìn)行徹底測(cè)試后，研究人員發(fā)現(xiàn)使用名為VerMES的生物反應(yīng)器可以大規(guī)模生產(chǎn)高質(zhì)量的血小板。該系統(tǒng)由兩個(gè)橢圓形，水平定向的混合葉片組成，通過(guò)在氣缸中上下移動(dòng)產(chǎn)生相對(duì)高水平的湍流。由于葉片運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的湍流能量和剪切應(yīng)力的最佳水平，hiPSC衍生的巨核細(xì)胞產(chǎn)生了1000億個(gè)血小板 - 足以滿足臨床要求。

在具有血小板減少癥的兩種動(dòng)物模型中的輸血實(shí)驗(yàn)顯示這些血小板與人供體血小板的表現(xiàn)相似。具體地，兩種類型的血小板在兔耳靜脈切口和小鼠尾動(dòng)脈穿刺后促進(jìn)血液凝固并且減少出血時(shí)間至相當(dāng)程度。

目前，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。他們還開(kāi)發(fā)了通用血小板，缺乏稱為人類白細(xì)胞抗原的細(xì)胞表面蛋白，以降低免疫介導(dǎo)的輸血反應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)。

“我們希望臨床試驗(yàn)?zāi)茉谝坏絻赡陜?nèi)開(kāi)始，”Eto說(shuō)。“我們相信這些發(fā)現(xiàn)將是獲得使用我們的血小板進(jìn)行臨床試驗(yàn)許可的最后一個(gè)科學(xué)步驟。”