搭建干细胞体外培养的“阳光房”

“奇府”干细胞仿生赋能系统微观环境模型。受访者供图

■本报记者 袁一雪 通讯员 吴军辉

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。此外，干细胞还可以用于疾病治疗，特别是新冠肺炎疫情暴发以来，干细胞，尤其是间充质干细胞被应用于重症以及危重症的救治研究中。

只是干细胞获取比较困难，数量也极其有限。为了获取足够数量用于治疗的干细胞，必须进行体外扩增。然而，随着扩增代数的增加，干细胞的生物学功能会逐渐减弱，这使得能够应用的干细胞可用代次有限，导致干细胞资源稀缺，难以满足庞大的市场需求，而其高昂的成本也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问题的方案。

为此，南开大学生命科学学院教授杨军课题组，在二十余年持续研究的基础上，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。目前，以课题组成员为骨干的学生创新创业团队“奇府”，正致力于将这一研究成果推向市场。

直击干细胞体外培养痛点

研究人员介绍说，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。简言之，现有的培养系统极易造成培养的干细胞存在不够用、不好用、不敢用和用不起的问题。

“这是由于一般的干细胞扩增使用的培养表面不能很好地仿生体内微环境导致的。”“奇府”团队负责人、南开大学生命科学学院博士生陈国强解释说，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”就摇摇欲坠。

那么，如何构建体外微环境呢？研究人员以干细胞仿生培养材料入手，全面优化配套培养体系。

首先，研究团队筛选多种细胞间相互作用蛋白，分析其基因以及蛋白序列，随后选择几种基因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。

构建干细胞“生存之家”

研究人员通过先进基因工程技术制备的核心产品，其基质成分明确稳定，量产纯度＞95%，且为人源蛋白，能够更好地调控人源干细胞，且更为安全。同时，该干细胞赋能体系大规模构建细胞间相互作用的核心蛋白，很好地在培养平面上实现了体内微环境的仿生，从而使细胞功能得以维持。

此外，研究人员通过细胞间相互作用蛋白仿生调控干细胞生长微环境，缩短干细胞增殖周期的同时延缓干细胞衰老，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。

“为了实现最好的干细胞培养效果，我们进行培养体系各组分详细优化，从培养基质的成分配比、作用时间到培养基的选择以及细胞消化液组成都进行了数百次以上的尝试。”该项目研究成员秦政介绍。

力图实现精准调控

干细胞扩增技术成熟后，研究人员开启了针对干细胞不同用途赋能体系的开发。干细胞的行为受到其所处微环境的影响，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，研究人员通过查阅各种疾病以及发生发育相关论文，不断优化培养体系，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种干细胞赋能体系。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，被“赋能”的干细胞具有更加显著的治疗效果。

截至目前，该干细胞仿生赋能系统涉及的相关技术现已获得十余项国内外发明专利，发表科技论文100余篇。基于领先的仿生构建技术和良好的实验效果，研究人员还将研究成果积极向产品转化，将人工基质蛋白及其配套的培养体系简化组合形成了简单易用的试剂盒产品。

“目前，我们的团队已与国内干细胞生产企业和相关医疗机构达成良好的合作关系，将产品提供给合作单位进行试用，得到了很好的评价反馈。未来，我们希望以市场化的方式，将‘奇府’系列产品规模化推入市场，真正助力我国的干细胞研究和应用。”

相关论文信息：https://doi.org/10.1002/adhm.201600114

https://doi.org/10.1016/j.apmt.2020.100690

https://doi.org/10.1039/C6TB00765A