在湍流環境下，利用人誘導性多能干細胞大規模產生1000億個血小板

來源：作者：人氣：-發表時間：2018-07-16 15:33:00【大中小】

輸血是最常見的細胞治療形式之一，每年有近500萬美國人接受輸血。在不久的將來，捐助者的血液供應預計不會滿足一些國家的患者需求。導致該問題的一個因素是一些血液成分的保質期短。特別是，人類捐獻的血小板在美國的保質期僅為5天，這是因為它們會逐漸喪失其聚集能力并且易受細菌污染。有時需要輸注血小板來治療一種被稱作血小板減少癥（thrombocytopenia）的疾病，在這種疾病中，血小板缺乏會增加危及生命的失血風險。血小板的預期短缺促進人們尋找不依賴血液捐獻的替代來源。

人誘導性多能干細胞（human induced pluripotent stem cell, hiPSC）提供了一種可持續地產生足夠數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獲取的血細胞或皮膚細胞在進行表觀遺傳學重編程后進入胚胎干細胞樣狀態，然后將這些未成熟細胞轉化為在身體不同部位發現的特化細胞類型。然而，在此之前利用源自hipsC的巨核細胞產生血小板的嘗試未能達到適合臨床制造的規模。

為了解決這個問題，日本京都大學iPS細胞研究與應用中心的Koji Eto及其團隊注意到在培養瓶中旋轉時，源自hiPSC的巨核細胞產生的血小板數量要比在培養皿中的靜態條件下的多。這一觀察結果提示著來自水平搖動的物理應力促進血小板產生。在這一發現之后，Eto團隊在一種帶有一個流動腔室和多個支柱的新型微流體系統中測試了一種基于搖擺袋的生物反應器，然而，當采用這些裝置時，每個源自hipsC的巨核細胞產生少于20個的血小板。

為了研究產生血小板的理想物理條件，在一項新的研究中，Eto和他的團隊接下來對小鼠骨髓---產生血液組分的組織---進行了實時成像研究。這些實驗表明巨核細胞僅當暴露于湍流血流時才會產生血小板。為了驗證這一想法，模擬結果表明他們之前測試過的生物反應器和微流體系統缺乏足夠的湍流能量。相關研究結果于2018年7月12日在線發表在Cell期刊上，論文標題為“Turbulence Activates Platelet Biogenesis to Enable Clinical Scale Ex Vivo Production”。

圖片來自Misaki Ouchida/Kyoto University。

Eto說，“發現湍流在血小板生成中的關鍵作用極大拓展了之前的研究---表明來自血流的剪切應力（shear stress）也是這一過程的一個關鍵的物理因素。我們的研究結果還表明，對產生血小板而言，hiPSC并不是一切中的一切。除了hipsC技術之外，理解流體動力性質也是我們的發現是所必需的。”

在對各種設備進行全面測試后，這些研究人員發現使用一種被稱作VerMES的生物反應器可以大規模地產生高質量的血小板。這種系統由兩個橢圓形的水平定向的混合葉片組成，這兩個混合葉片通過在氣缸中上下移動產生相對高水平的湍流。由于這種葉片運動產生的最佳湍流能量水平和剪切應力，由hipsC產生的巨核細胞產生了1000億個血小板---足以滿足臨床需求。

在兩種血小板減少癥動物模型中開展的輸注實驗表明這些血小板在功能上類似于與人類捐獻的血小板。具體而言，在兔子的耳朵靜脈上產生切口和對小鼠的尾動脈進行穿刺后，這兩種類型的血小板都相當程度地促進血液凝固和降低出血時間。

當前，Eto和他的團隊正在通過設計自動化方案、降低制造成本和優化血小板產量來改進他們的方法。他們還正在開發缺乏人類白細胞抗原的通用血小板，以便降低產生免疫介導的輸注反應的風險。

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