日本研究人員7月12日在Cell雜志上報道，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，通過形成血凝塊幫助傷口愈合并防止出血。此外，在兩種動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，”高級研究作者Koji Eto說，他是iPS細(xì)胞研究中心的一部分。在京都大學(xué)申請。

輸血是最常見的細(xì)胞治療形式之一，每年有近500萬美國人接受這種手術(shù)。在不久的將來，捐助者的血液供應(yīng)預(yù)計不會滿足一些國家的患者需求。造成這一問題的一個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僅具有5天的保質(zhì)期，因為它們逐漸喪失其聚集能力并且易受細(xì)菌污染。有時需要輸注血小板來治療稱為血小板減少癥的病癥，其中血小板缺乏會增加危及生命的失血的風(fēng)險。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。

在尋找這個問題的解決方案時，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，在液體條件下來自水平搖動的物理應(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室和多個支柱的新型微流體系統(tǒng)，但這些裝置每個hiPSC衍生的巨核細(xì)胞產(chǎn)生的血小板少于20個。

為了檢查產(chǎn)生血小板的理想物理條件，Eto和他的團(tuán)隊接下來對小鼠骨髓 - 產(chǎn)生血液成分的組織進(jìn)行了實時成像研究。這些實驗表明巨核細(xì)胞僅在暴露于湍流血流時釋放血小板。為了支持這一想法，模擬證實他們之前測試的生物反應(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)展了過去的研究，表明來自血流的剪切應(yīng)力也是這一過程中的關(guān)鍵物理因素，”Eto說。“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，了解流體動力學(xué)對于我們的發(fā)現(xiàn)是必要的。”

在對各種設(shè)備進(jìn)行徹底測試后，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)由兩個橢圓形，水平定向的混合葉片組成，通過在氣缸中上下移動產(chǎn)生相對高水平的湍流。由于葉片運(yùn)動產(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1000億個血小板 - 足以滿足臨床要求。

在具有血小板減少癥的兩種動物模型中的輸血實驗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脈穿刺后促進(jìn)血液凝固并且減少出血時間至相當(dāng)程度。

目前，Eto和他的團(tuán)隊正在通過設(shè)計自動化方案，降低制造成本和優(yōu)化血小板產(chǎn)量來改進(jìn)他們的方法。他們還開發(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。

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