湍流允许临床规模的血小板生成用于输血

日本研究人员7月12日在Cell杂志上报道，湍流是促进人体诱导多能干细胞(hiPSCs)大规模生产功能性血小板的关键物理因素。在生物反应器中暴露于湍流能量刺激了hiPSC衍生的骨髓细胞，称为巨核细胞，产生1000亿血小板 - 血细胞碎片，通过形成血凝块帮助伤口愈合并防止出血。此外，在两种动物模型中输注这些血小板促进血液凝固并且与人供体血小板一样防止出血。

“湍流能量的发现为血小板的产生提供了新的物理机制和离体生产策略，应该影响再生医学的临床规模细胞疗法，”高级研究作者Koji Eto说，他是iPS细胞研究中心的一部分。在京都大学申请。

输血是最常见的细胞治疗形式之一，每年有近500万美国人接受这种手术。在不久的将来，捐助者的血液供应预计不会满足一些国家的患者需求。造成这一问题的一个因素是某些血液成分的保质期短。

特别地，人类供体血小板在美国仅具有5天的保质期，因为它们逐渐丧失其聚集能力并且易受细菌污染。有时需要输注血小板来治疗称为血小板减少症的病症，其中血小板缺乏会增加危及生命的失血的风险。血小板的预期短缺刺激了研究人员寻找不依赖献血的替代来源。

hiPSC提供了一种可再生的方法，用于产生足够数量的血小板用于输血。该技术涉及将从人类供体采集的血液或皮肤细胞进行表观遗传学重编程为胚胎干细胞样状态，然后将这些未成熟细胞转化为在身体不同部位发现的特化细胞类型。然而，先前从hiPSC衍生的巨核细胞产生血小板的尝试未能达到适合临床制造的规模。

在寻找这个问题的解决方案时，Eto和他的合作者注意到hiPSC衍生的巨核细胞在烧瓶中旋转时产生的血小板多于在培养皿中的静态条件下产生的血小板。该观察结果表明，在液体条件下来自水平摇动的物理应力增强了血小板的产生。继这一发现之后，研究人员测试了一种基于摇摆袋的生物反应器，接着是一种带有流动室和多个支柱的新型微流体系统，但这些装置每个hiPSC衍生的巨核细胞产生的血小板少于20个。

为了检查产生血小板的理想物理条件，Eto和他的团队接下来对小鼠骨髓 - 产生血液成分的组织进行了实时成像研究。这些实验表明巨核细胞仅在暴露于湍流血流时释放血小板。为了支持这一想法，模拟证实他们之前测试的生物反应器和微流体系统缺乏足够的湍流能量。

“湍流在血小板生成中的关键作用的发现显着扩展了过去的研究，表明来自血流的剪切应力也是这一过程中的关键物理因素，”Eto说。“我们的研究结果还表明，iPS细胞不是生产血小板的最终目标。除了iPS细胞技术之外，了解流体动力学对于我们的发现是必要的。”

在对各种设备进行彻底测试后，研究人员发现使用名为VerMES的生物反应器可以大规模生产高质量的血小板。该系统由两个椭圆形，水平定向的混合叶片组成，通过在气缸中上下移动产生相对高水平的湍流。由于叶片运动产生的湍流能量和剪切应力的最佳水平，hiPSC衍生的巨核细胞产生了1000亿个血小板 - 足以满足临床要求。

在具有血小板减少症的两种动物模型中的输血实验显示这些血小板与人供体血小板的表现相似。具体地，两种类型的血小板在兔耳静脉切口和小鼠尾动脉穿刺后促进血液凝固并且减少出血时间至相当程度。

目前，Eto和他的团队正在通过设计自动化方案，降低制造成本和优化血小板产量来改进他们的方法。他们还开发了通用血小板，缺乏称为人类白细胞抗原的细胞表面蛋白，以降低免疫介导的输血反应的风险。

“我们希望临床试验能在一到两年内开始，”Eto说。“我们相信这些发现将是获得使用我们的血小板进行临床试验许可的最后一个科学步骤。”