多功能干細(xì)胞連續(xù)6天培養(yǎng)后，對10X放大倍數(shù)獲得的圖片用ImageJ (1.44i)進(jìn)行分析
加拿大研究人員利用一種新技術(shù)從人多功能干細(xì)胞(pluripotent stem cell, PSC)中制造出醫(yī)學(xué)上有用的數(shù)量足夠的內(nèi)胚層細(xì)胞(endoderm cell),，從而戰(zhàn)勝開發(fā)糖尿病和肝臟疾病的再生性治療方法過程中的一個關(guān)鍵性障礙,。該研究發(fā)表在《細(xì)胞技術(shù)和細(xì)胞工程》(Biotechnology and Bioengineering)期刊上，能夠應(yīng)用到其他干細(xì)胞研究領(lǐng)域,，從而為科學(xué)家們指引通往臨床應(yīng)用的道路,。
加拿大多倫多大學(xué)Mark Ungrin博士說，“因為干細(xì)胞具有應(yīng)用于再生性治療的潛力,，所以科學(xué)家對它們興趣極大,。實驗室技術(shù)能夠制造成千甚至百萬計的干細(xì)胞，但是產(chǎn)生的細(xì)胞數(shù)量和質(zhì)量能否達(dá)到醫(yī)學(xué)所需的標(biāo)準(zhǔn)一直以來是一個挑戰(zhàn)。”
該研究重點關(guān)注利用多功能干細(xì)胞產(chǎn)生內(nèi)胚層細(xì)胞的方法,，其中內(nèi)胚層細(xì)胞是形成身體內(nèi)部器官(包括肺部,、胰腺和肝臟)的三個主要胚層之一。多功能干細(xì)胞能夠分化或轉(zhuǎn)化為內(nèi)胚層細(xì)胞是針對這些器官開發(fā)再生性治療方法的關(guān)鍵性一步,。
Ungrin說,，“為了產(chǎn)生用于治療所需的內(nèi)胚層細(xì)胞數(shù)量，理解干細(xì)胞大量存在時如何表現(xiàn)是非常重要的,，比如在分化過程中有多少干細(xì)胞丟失以及是否所有的干細(xì)胞分化為所需的細(xì)胞類型,。”
研究小組用熒光染料對這些干細(xì)胞進(jìn)行染色，這樣當(dāng)它們分裂時,，染料在兩個子細(xì)胞中同等分布,。通過在靠后的階段測量細(xì)胞群體發(fā)出的熒光，研究小組就能夠計算出細(xì)胞分裂頻率,，從而允許他們預(yù)測在給定的時間將會有多少個細(xì)胞存在,。
這種技術(shù)允許研究小組檢測細(xì)胞擴增和分化效率是否低下，從而獲得對多功能干細(xì)胞分化時的潛在細(xì)胞生物學(xué)機制的新理解,。研究小組運用該技術(shù)生產(chǎn)的有效細(xì)胞產(chǎn)量增加了35倍,。
Ungrin說，“我們的結(jié)果表明產(chǎn)生的內(nèi)胚層細(xì)胞數(shù)量得到顯著性的增加,，從而允許我們大規(guī)模生產(chǎn)有用的細(xì)胞,，同時確保多功能干細(xì)胞存活和有效的分化。”
戰(zhàn)勝這個研究瓶頸也將有助于指引未來的干細(xì)胞研究人員行走于從實驗室測試到臨床應(yīng)用的漫長而又充滿挑戰(zhàn)的道路,，同時縮短生物醫(yī)學(xué)研究進(jìn)步到開發(fā)出良好療法這一過程的轉(zhuǎn)化時間,。
Ungrin總結(jié)道，“這一領(lǐng)域的大多數(shù)研究著重關(guān)注產(chǎn)生的細(xì)胞群體純度,，但是分化效率沒有人報道,。然而我們的研究為未來的多功能干細(xì)胞研究提供一個重要的平臺，特別是對工業(yè)或醫(yī)學(xué)上需要大量生產(chǎn)細(xì)胞的地方而言,。”(生物谷Bioon.com：towersimper編譯)
doi:10.1002/bit.24375
PMC:
PMID:
Rational bioprocess design for human pluripotent stem cell expansion and endoderm differentiation based on cellular dynamics
Mark D. Ungrin, Geoff Clarke, Ting Yin, Sylvia Niebrugge, M. Cristina Nostro, Farida Sarangi, Geoffrey Wood, Gordon Keller, Peter W. Zandstra
We present a predictive bioprocess design strategy employing cell- and molecular-level analysis of rate-limiting steps in human pluripotent stem cell (hPSC) expansion and differentiation, and apply it to produce definitive endoderm (DE) progenitors using a scalable directed-differentiation technology. We define a bioprocess optimization parameter (L; targeted cell Loss) and, with quantitative cell division tracking and fate monitoring, identify and overcome key suspension bioprocess bottlenecks. Adapting process operating conditions to pivotal parameters (single cell survival and growth rate) in a cell-line-specific manner enabled adherent-equivalent expansion of hPSCs in feeder- and matrix-free defined-medium suspension culture. Predominantly instructive differentiation mechanisms were found to underlie a subsequent 18-fold expansion, during directed differentiation, to high-purity DE competent for further commitment along pancreatic and hepatic lineages. This study demonstrates that iPSC expansion and differentiation conditions can be prospectively specified to guide the enhanced production of target cells in a scale-free directed differentiation system.
