生物反應器在基于細胞片的生物工程進行心肌細胞懸浮培養(yǎng)技術上的應用

生物工程的功能性心臟組織有望促進受損心臟組織的修復。研究者曾使用生物反應器通過小鼠胚胎干 (mES) 細胞衍生的心肌細胞開發(fā)了心臟細胞片，這是一種從 ES 細胞產(chǎn)生適當數(shù)量的心肌細胞的系統(tǒng)，其潛在機制仍然難以捉摸。

在研究實驗中，研究者使用三維生物反應器通過胚狀體形成建立了具有適合mES細胞擴增和心臟分化條件的培養(yǎng)系統(tǒng)。每日常規(guī)培養(yǎng)基更換未能防止培養(yǎng)基中乳酸積累和 pH 值降低，從而導致細胞擴增和心臟分化不足。反過來，連續(xù)灌注系統(tǒng)保持了乳酸濃度和 pH 值的穩(wěn)定性，并使細胞數(shù)量增加了多達 300 倍的接種細胞數(shù)量，并在分化 10 天后促進了心臟分化。經(jīng)過 8 天的培養(yǎng)和純化步驟，大約 1×10在 1-L 生物反應器培養(yǎng)物中收集了8個心肌細胞，并用頭蛋白和粒細胞集落刺激因子進行額外處理，使心肌細胞數(shù)量增加到約 5.5×10 8。mES 細胞衍生的心肌細胞與適當數(shù)量的原代培養(yǎng)成纖維細胞在溫度響應培養(yǎng)皿上共培養(yǎng)，能夠形成心臟細胞片并形成分層致密的心臟組織。這些發(fā)現(xiàn)表明，這種具有適當培養(yǎng)基的生物反應器系統(tǒng)可能能夠為基于細胞片的心臟組織制備心肌細胞。



在快速發(fā)展的再生醫(yī)學領域中，基于細胞的療法已成為心臟移植治療受損心臟組織的有希望的替代方案。研究者之前開發(fā)了一種原始的無支架組織工程技術，稱為“基于細胞片的組織工程”，使用與溫度響應性聚合物聚（ N-異丙基丙烯酰胺）共價結合的溫度響應性培養(yǎng)皿。降低培養(yǎng)溫度可促進表面從疏水性快速轉(zhuǎn)變?yōu)橛H水性，這使研究者能夠收集可行的單層細胞片，并完全保存細胞-細胞接觸和細胞外基質(zhì). 許多研究報道，使用各種類型的細胞進行基于細胞片的移植可以改善受損心臟的心臟功能。然而，最近的證據(jù)表明，來自移植細胞的分泌因子介導的旁分泌作用、血管生成和心臟保護可能是細胞移植介導的心臟功能改善的主要機制。事實上，這些影響可能是創(chuàng)造可移植的生物工程增厚心臟組織的先決條件，直接導致收縮。



創(chuàng)建生物工程心臟組織移植物的方法已經(jīng)建立了數(shù)十年，研究者之前曾報道，將三層新生大鼠心臟移植物重復移植到體內(nèi)皮下組織上，可以產(chǎn)生約 1 毫米厚的心臟組織。然而，哺乳動物心肌細胞在出生后不久就失去了增殖能力；因此，胚胎干細胞（ES）和誘導多能干細胞（iPS）等多能干細胞是有前途的心肌細胞來源。

已經(jīng)開發(fā)了各種方法用于 ES 和 iPS 細胞的擴增和心臟分化，胚狀體（EB）懸浮培養(yǎng)已被廣泛用作一種易于擴展的方法。Zandstra 等人報道了使用轉(zhuǎn)瓶培養(yǎng)用于心肌細胞生產(chǎn)的小鼠 ES (mES) 細胞的可擴展培養(yǎng) ，Wang 等人報道了使用旋轉(zhuǎn)細胞培養(yǎng)系統(tǒng)進行心肌分化的 mES 培養(yǎng)。研究者報道了 mES 細胞在轉(zhuǎn)瓶中增殖并分化為心肌細胞，并且源自 mES 細胞的心肌細胞片具有在細胞片上傳播的電生理功能 . 然而，當mES細胞在轉(zhuǎn)瓶中培養(yǎng)時，隨著細胞增殖，細胞培養(yǎng)條件難以穩(wěn)定維持，這可能會影響細胞的生長、分化和活力。最近的報告表明，具有氧氣控制和自動填充和抽取培養(yǎng)基更換的 生物反應器系統(tǒng)可以提高心肌細胞的產(chǎn)量。然而，尚不清楚來自生物反應器系統(tǒng)的心肌細胞是否適合制造心臟細胞片。



在本研究中，研究者使用基于三維生物反應器的懸浮培養(yǎng)系統(tǒng)創(chuàng)建了分層的心臟細胞片，用于擴增 mES 細胞和心肌細胞。