生物反應(yīng)器在基于細(xì)胞片的生物工程進(jìn)行心肌細(xì)胞懸浮培養(yǎng)技術(shù)上的應(yīng)用

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

在研究實(shí)驗(yàn)中，研究者使用三維生物反應(yīng)器通過胚狀體形成建立了具有適合mES細(xì)胞擴(kuò)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(dǎo)致細(xì)胞擴(kuò)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(xì)胞數(shù)量增加了多達(dá) 300 倍的接種細(xì)胞數(shù)量，并在分化 10 天后促進(jìn)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(yīng)器培養(yǎng)物中收集了8個(gè)心肌細(xì)胞，并用頭蛋白和粒細(xì)胞集落刺激因子進(jìn)行額外處理，使心肌細(xì)胞數(shù)量增加到約 5.5×10 8。mES 細(xì)胞衍生的心肌細(xì)胞與適當(dāng)數(shù)量的原代培養(yǎng)成纖維細(xì)胞在溫度響應(yīng)培養(yǎng)皿上共培養(yǎng)，能夠形成心臟細(xì)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(dāng)培養(yǎng)基的生物反應(yīng)器系統(tǒng)可能能夠?yàn)榛�于�?xì)胞片的心臟組織制備心肌細(xì)胞。



在快速發(fā)展的再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，基于細(xì)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(shù)，稱為“基于細(xì)胞片的組織工程”，使用與溫度響應(yīng)性聚合物聚（ N-異丙基丙烯酰胺）共價(jià)結(jié)合的溫度響應(yīng)性培養(yǎng)皿。降低培養(yǎng)溫度可促進(jìn)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(xì)胞片，并完全保存細(xì)胞-細(xì)胞接觸和細(xì)胞外基質(zhì). 許多研究報(bào)道，使用各種類型的細(xì)胞進(jìn)行基于細(xì)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(xì)胞的分泌因子介導(dǎo)的旁分泌作用、血管生成和心臟保護(hù)可能是細(xì)胞移植介導(dǎo)的心臟功能改善的主要機(jī)制。事實(shí)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(dǎo)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(bào)道，將三層新生大鼠心臟移植物重復(fù)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(dòng)物心肌細(xì)胞在出生后不久就失去了增殖能力；因此，胚胎干細(xì)胞（ES）和誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPS）等多能干細(xì)胞是有前途的心肌細(xì)胞來源。

已經(jīng)開發(fā)了各種方法用于 ES 和 iPS 細(xì)胞的擴(kuò)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(kuò)展的方法。Zandstra 等人報(bào)道了使用轉(zhuǎn)瓶培養(yǎng)用于心肌細(xì)胞生產(chǎn)的小鼠 ES (mES) 細(xì)胞的可擴(kuò)展培養(yǎng) ，Wang 等人報(bào)道了使用旋轉(zhuǎn)細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)進(jìn)行心肌分化的 mES 培養(yǎng)。研究者報(bào)道了 mES 細(xì)胞在轉(zhuǎn)瓶中增殖并分化為心肌細(xì)胞，并且源自 mES 細(xì)胞的心肌細(xì)胞片具有在細(xì)胞片上傳播的電生理功能 . 然而，當(dāng)mES細(xì)胞在轉(zhuǎn)瓶中培養(yǎng)時(shí)，隨著細(xì)胞增殖，細(xì)胞培養(yǎng)條件難以穩(wěn)定維持，這可能會(huì)影響細(xì)胞的生長(zhǎng)、分化和活力。最近的報(bào)告表明，具有氧氣控制和自動(dòng)填充和抽取培養(yǎng)基更換的 生物反應(yīng)器系統(tǒng)可以提高心肌細(xì)胞的產(chǎn)量。然而，尚不清楚來自生物反應(yīng)器系統(tǒng)的心肌細(xì)胞是否適合制造心臟細(xì)胞片。



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