?“奇府”干細(xì)胞仿生賦能系統(tǒng)微觀環(huán)境模型 ? 南開大學(xué)供圖

隨著人類在生命科學(xué)領(lǐng)域探索的不斷深入，干細(xì)胞研究和應(yīng)用已經(jīng)成為科學(xué)界和全球生物醫(yī)藥行業(yè)關(guān)注的熱點之一，也成為包括我國在內(nèi)的不少國家的重要科技戰(zhàn)略。盡管具有廣闊前景，但干細(xì)胞研究和應(yīng)用仍面臨許多亟待解決的難題，干細(xì)胞的高質(zhì)量地體外培養(yǎng)就是關(guān)鍵難題之一。

南開大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授楊軍課題組，在20余年持續(xù)研究的基礎(chǔ)上，開發(fā)出一套可以模擬體內(nèi)微環(huán)境的干細(xì)胞防生賦能系統(tǒng)，有效解決了目前干細(xì)胞體外培養(yǎng)效率低、費用高、安全性差、代際功能減損等問題，助力干細(xì)胞研究更好地走向應(yīng)用。以課題組成員為骨干的學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團隊“奇府”，正致力于將這一研究成果推向市場。

干細(xì)胞是人體發(fā)育過程中以及成體后體內(nèi)存在的一類細(xì)胞，具有自我復(fù)制，多向分化等特點，常用于生長發(fā)育、疾病發(fā)生、藥物篩選等科學(xué)研究。除此之外，干細(xì)胞還可以用于疾病治療，例如：胚胎干細(xì)胞分化的眼角膜給患者帶來了光明，臍帶造血干細(xì)胞用于治療遺傳性或獲得性造血系統(tǒng)疾病、間充質(zhì)干細(xì)胞對自身免疫病患者進(jìn)行免疫調(diào)節(jié)等。新冠肺炎疫情暴發(fā)以來，干細(xì)胞，尤其是間充質(zhì)干細(xì)胞也被應(yīng)用到重癥以及危重癥的救治研究當(dāng)中。

然而，通常干細(xì)胞獲取比較困難，數(shù)量也極其有限。為了獲取足夠數(shù)量用于治療的干細(xì)胞，必須進(jìn)行體外擴增。然而，隨著擴增代數(shù)的增加，干細(xì)胞的生物學(xué)功能逐漸減弱，這使得可應(yīng)用的干細(xì)胞可用代次有限，導(dǎo)致干細(xì)胞資源稀缺，難以滿足龐大的市場需求，而其高昂的成本也極大限制了干細(xì)胞產(chǎn)業(yè)發(fā)展。因此亟需一套解決干細(xì)胞數(shù)量嚴(yán)重短缺的方案。

研究人員介紹，目前的干細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)存在四大痛點——增殖能力不足，細(xì)胞產(chǎn)量低；功能丟失，治療效果差；干細(xì)胞純度低，安全風(fēng)險大；細(xì)胞資源稀缺，生產(chǎn)成本高。簡而言之，現(xiàn)有的培養(yǎng)系統(tǒng)極易造成培養(yǎng)的干細(xì)胞不夠用、不好用、不敢用和用不起的問題。

“這是由于一般的干細(xì)胞擴增使用的培養(yǎng)表面不能很好地仿生體內(nèi)微環(huán)境導(dǎo)致的。” “奇府”團隊負(fù)責(zé)人、南開大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士生陳國強介紹，在多細(xì)胞生物中，沒有一個細(xì)胞是孤立狀態(tài)，細(xì)胞間的相互作用尤為重要。如果把干細(xì)胞培養(yǎng)環(huán)境比作“房子”，細(xì)胞間相互作用就是一根重要的“支柱”，沒有這根“支柱”，“房子”就搖搖欲墜。

那么，如何實現(xiàn)體外微環(huán)境構(gòu)建呢？研究團隊以干細(xì)胞仿生培養(yǎng)材料入手，全面優(yōu)化配套培養(yǎng)體系。

首先，研究團隊篩選多種細(xì)胞間相互作用蛋白，分析其基因以及蛋白序列，隨后選擇幾種基因利用基因工程技術(shù)構(gòu)建融合蛋白基因，通過生物合成技術(shù)穩(wěn)定批量制備人工基質(zhì)蛋白產(chǎn)品，最后利用納米涂層技術(shù)在傳統(tǒng)材料表面形成人工基質(zhì)蛋白涂層實現(xiàn)表面功能改性。

“奇府”團隊通過先進(jìn)基因工程技術(shù)制備的核心產(chǎn)品，其基質(zhì)成分明確穩(wěn)定，量產(chǎn)純度＞95%，且為人源蛋白，能夠更好地調(diào)控人源干細(xì)胞，且更為安全。同時，“奇府”干細(xì)胞賦能體系大規(guī)模構(gòu)建細(xì)胞間相互作用的核心蛋白，很好地在培養(yǎng)平面上實現(xiàn)了體內(nèi)微環(huán)境的仿生，從而使細(xì)胞功能得以維持。此外，“奇府”產(chǎn)品通過細(xì)胞間相互作用蛋白仿生調(diào)控干細(xì)胞生長微環(huán)境，縮短干細(xì)胞增殖周期同時延緩干細(xì)胞衰老，使可用的干細(xì)胞數(shù)量大大增加，擴大了干細(xì)胞的生產(chǎn)規(guī)模，降低了干細(xì)胞的生產(chǎn)成本且減少了患者等待的時間。

“我們的培養(yǎng)技術(shù)補齊了最后一根‘支柱’，仿生干細(xì)胞微環(huán)境，在體外構(gòu)建了干細(xì)胞生存之家，而且還是一個溫暖舒適的‘陽光房’，達(dá)到高效增殖、安全使用、功能提升和成本降低的四大效果?！标悋鴱娬f。

“為了實現(xiàn)最好的干細(xì)胞培養(yǎng)效果，進(jìn)行培養(yǎng)體系各組分詳細(xì)優(yōu)化，從培養(yǎng)基質(zhì)的成分配比，作用時間到培養(yǎng)基的選擇以及細(xì)胞消化液組成都進(jìn)行了數(shù)百次以上的嘗試。”項目骨干秦政介紹。

干細(xì)胞擴增技術(shù)成熟后，“奇府”團隊開啟了針對干細(xì)胞不同用途賦能體系的開發(fā)。干細(xì)胞的行為受到其所處的微環(huán)境的影響，要想讓干細(xì)胞發(fā)揮指定的功能，需通過微環(huán)境對其進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控。

為實現(xiàn)這一目的，“奇府”團隊通過查閱各種疾病以及發(fā)生發(fā)育相關(guān)論文，不斷優(yōu)化培養(yǎng)體系，先后開發(fā)出心肌修復(fù)、血管再生、免疫調(diào)節(jié)以及關(guān)節(jié)修復(fù)等4種干細(xì)胞賦能體系。在相應(yīng)疾病模型小鼠試驗中，相較于傳統(tǒng)基質(zhì)表面培養(yǎng)的干細(xì)胞，“奇府”賦能的干細(xì)胞具有更加顯著的治療效果。

截至目前，“奇府”干細(xì)胞防生賦能系統(tǒng)涉及的相關(guān)技術(shù)現(xiàn)已獲得十余項國內(nèi)外發(fā)明專利，發(fā)表科技論文100余篇。基于領(lǐng)先的仿生構(gòu)建技術(shù)和良好的實驗效果，“奇府”團隊還將研究成果積極向產(chǎn)品轉(zhuǎn)化，將人工基質(zhì)蛋白及其配套的培養(yǎng)體系簡化組合形成了簡單易用的試劑盒產(chǎn)品。

“目前，我們的團隊已與國內(nèi)干細(xì)胞生產(chǎn)企業(yè)和相關(guān)醫(yī)療機構(gòu)達(dá)成良好的合作關(guān)系，將產(chǎn)品提供給合作單位進(jìn)行試用，得到了很好的評價反饋。未來，我們希望以市場化的方式，將‘奇府’系列產(chǎn)品規(guī)?；迫胧袌觯嬲ξ覈母杉?xì)胞研究和應(yīng)用。”

相關(guān)論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adhm.201600114

來源：中國科學(xué)報