多功能干细胞连续6天培养后,对10X放大倍数获得的图片用ImageJ (1.44i)进行分析
加拿大研究人员利用一种新技术从人多功能干细胞(pluripotent stem cell, PSC)中制造出医学上有用的数量足够的内胚层细胞(endoderm cell),从而战胜开发糖尿病和肝脏疾病的再生性治疗方法过程中的一个关键性障碍。该研究发表在《细胞技术和细胞工程》(Biotechnology and Bioengineering)期刊上,能够应用到其他干细胞研究领域,从而为科学家们指引通往临床应用的道路。
加拿大多伦多大学Mark Ungrin博士说,“因为干细胞具有应用于再生性治疗的潜力,所以科学家对它们兴趣极大。实验室技术能够制造成千甚至百万计的干细胞,但是产生的细胞数量和质量能否达到医学所需的标准一直以来是一个挑战。”
该研究重点关注利用多功能干细胞产生内胚层细胞的方法,其中内胚层细胞是形成身体内部器官(包括肺部、胰腺和肝脏)的三个主要胚层之一。多功能干细胞能够分化或转化为内胚层细胞是针对这些器官开发再生性治疗方法的关键性一步。
Ungrin说,“为了产生用于治疗所需的内胚层细胞数量,理解干细胞大量存在时如何表现是非常重要的,比如在分化过程中有多少干细胞丢失以及是否所有的干细胞分化为所需的细胞类型。”
研究小组用荧光染料对这些干细胞进行染色,这样当它们分裂时,染料在两个子细胞中同等分布。通过在靠后的阶段测量细胞群体发出的荧光,研究小组就能够计算出细胞分裂频率,从而允许他们预测在给定的时间将会有多少个细胞存在。
这种技术允许研究小组检测细胞扩增和分化效率是否低下,从而获得对多功能干细胞分化时的潜在细胞生物学机制的新理解。研究小组运用该技术生产的有效细胞产量增加了35倍。
Ungrin说,“我们的结果表明产生的内胚层细胞数量得到显著性的增加,从而允许我们大规模生产有用的细胞,同时确保多功能干细胞存活和有效的分化。”
战胜这个研究瓶颈也将有助于指引未来的干细胞研究人员行走于从实验室测试到临床应用的漫长而又充满挑战的道路,同时缩短生物医学研究进步到开发出良好疗法这一过程的转化时间。
Ungrin总结道,“这一领域的大多数研究着重关注产生的细胞群体纯度,但是分化效率没有人报道。然而我们的研究为未来的多功能干细胞研究提供一个重要的平台,特别是对工业或医学上需要大量生产细胞的地方而言。”(生物谷Bioon.com:towersimper编译)
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.