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【日本iPS细胞研究报告(卅一)】东大篇:“浆糊”培养干细胞成功

2019年06月25日 生物医药

东京大学医科学研究所干细胞生物学系的山崎聪特聘副教授带领包括斯坦福大学及理化学研究所等科研人员组成的研究团队,利用小鼠造血干细胞培养证明在细胞培养基中常见的小牛血清(Fetal Bovine/Calf Serum,FBS,FCS)、纯化白蛋白或重组白蛋白都会破坏造血干细胞未分化状态的维持。但是,如果培养基中不添加白蛋白等蛋白质组分,造血干细胞的细胞分裂诱导又成问题。

该研究团队最新研究成果则打破了上述僵局,用液体浆糊中的主要成分聚乙烯醇(Polyvinyl alcohol,PVA)成功替代了白蛋白添加成分,而且世界上首次在维持造血干细胞未分化特性的前提下持续增殖培养一个月以上[1]。基于该技术,不仅可以使得从一个供体分离的干细胞扩大培养后用于多名患者,而且培养成本和周期都可以大大缩减,从而降低患者的治疗成本和减少等候时间(图1)。该成果已经发表在2019年5月30日的《Nature》上[文献1]。

日本iPS细胞研究报告(卅一) 东大篇:“浆糊”培养干细胞成功

图1 利用PVA从50个细胞培养得到的造血干细胞/祖细胞

白蛋白(Albumin)作为占血清60%的蛋白质,是细胞培养液中通用的添加成分。纯化白蛋白一般从牛血清中分离纯化而来,重组白蛋白则是人工改变蛋白氨基酸序列后利用酵母或者水稻细胞培养分离获得。白蛋白是生命科学领域再常见不过的一类生物试剂。而聚乙烯醇作为一类功能性树脂,被用于生活中常见的各类制品中,同时也有GMP级别的聚乙烯醇生产用在医疗领域。可以说,聚乙烯醇是现代社会生活中不可或缺的一类化学物质。同时精细化工生产工艺的成熟和广泛的市场应用也决定了聚乙烯醇的生产成本远远低于价格高昂的生物材料白蛋白和小牛血清。

本研究团队之前采用全重组蛋白培养条件,确定了诱导造血干细胞分裂的2个关键细胞因子的最适浓度。即当维持低浓度的干细胞因子(Stem Cell Factor,SCF)和高浓度的血小板生成素(Thrombopoietin,TPO)平衡环境下,可以既能保持干细胞特性又能长时间高效培养。

本次研究发现,当用聚乙烯醇替代白蛋白和牛血清对造血干细胞进行培养时,不仅可以继续促使干细胞分裂增殖,而且优于白蛋白和牛血清可以在保持干细胞未分化状态下持续培养数月。也就是说,不仅完成了低成本替代,而且同时抑制了干细胞老化现象,做到了真正的“物美价廉”(图2)。

日本iPS细胞研究报告(卅一) 东大篇:“浆糊”培养干细胞成功

图2 一个造血干细胞扩增培养后成功用于多只白血病小鼠模型

造血干细胞是一类为躯体一生供应全血的组织干细胞,也是根治血液类疾病进行骨髓移植(造血干细胞移植)举足轻重的一类细胞。但是造血干细胞有赖于健康的供体,在日本老龄化社会日趋严重的情形下,骨髓库及脐带血库等辅助系统搭建也日益严峻。本研究团队旨在开发更为高效的应用于包括白血病在内的血液/免疫类疾病患者的造血干细胞体外扩增技术(图3)。

日本iPS细胞研究报告(卅一) 东大篇:“浆糊”培养干细胞成功

图3 50个造血干细胞体外培养后输入免疫缺陷小鼠体内成功根治免疫症状

本次研究团队用浆糊的主要成分-聚乙烯醇替代白蛋白长期培养小鼠造血干细胞成功,有望也适用于人造血干细胞的体外培养,从而提供更为安全的造血干细胞移植,降低针对儿童血液病等移植治疗的并发症风险。该技术不仅是干细胞基础研究方面的一大革命性贡献,在降低医疗成本、推动干细胞治疗和再生医疗等领域大展拳脚也值得期待。

供稿 宋傑 东京大学博士
编辑修改 JST客观日本编辑部

相关文献:
1. Adam C. Wilkinson, Reiko Ishida, Misako Kikuchi, Kazuhiro Sudo, Maiko Morita, Ralph Valentine Crisostomo, Ryo Yamamoto, Kyle M. Loh, Yukio Nakamura, Motoo Watanabe, Hiromitsu Nakauchi, Satoshi Yamazaki, "Long-term ex vivo hematopoietic stem cell expansion allows nonconditioned transplantation," Nature: 2019.05.30, doi:https://doi.org/10.1038/s41586-019-1244-x.

相关链接:
1. 东京大学新闻稿

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