NY-ESO-1

■ 引言 随着诱导多能干细胞（iPSC）的潜能在越来越多的医学生物学领域被开发出来，iPSC建库、商业化生产以及临床实验等场景中对iPSC的培养需求也日趋凸显。无滋养层多能干细胞培养技术的进步，也使得iPSC在细胞培养瓶以及细胞工厂中、甚至在生物反应器中的微载体上进行大规模的培养成为了可能。 然而，微载体培养始终存在一些挑战，比如细胞在载体上接种和释放效率低、收获时微载体和细胞的物理分离困难，以及细胞载体结块导致的细胞表型变化等等。 为了应对这些挑战，悬浮培养iPSC聚集体是一个新的选择。这种方法无需在生物反应器培养中使用任何基质或载体。数据表明，经过定向分化和成熟后，悬浮聚集体在生物学上比二维（2D）培养的细胞更为相似[1,2]。此外，控制聚集体的大小也可能影响定向分化和成熟的效率。 对于符合cGMP的培养而言，理想的解决方案是在过程的每一步（包括接种、灌流、传代和收获）都进行封闭系统操作，这样可以保持封闭系统的无菌性，降低成本，并减少人为干预，从而有助于避免潜在的污染。 本研究介绍了使用Xuri W25细胞扩增系统在封闭系统摇动生物反应器中进行人多能干细胞扩增的方法。 系统的平缓摇动运动会在培养体系中产生波浪，提供持续的混合和通气，从而为细胞生长创造一个稳健、低剪切的环境。 一次性使用的细胞培养袋无需清洁或灭菌，操作简便，且可防止污染和交叉污染。 系统软件Unicorn能够执行封闭系统中的连续或不连续灌流培养基交换，并记录细胞培养的所有数据，包括二氧化碳水平、温度、系统重量和通气速率等。还提供光学传感器用于连续监测溶解氧（OD）和pH值，并实现实时控制和数据存储。 材料和方法  1  人胚胎干细胞（CT2）和iPSC细胞（NL5）在从Matrigel无饲养层培养体系适应为悬浮聚集体后，经过5代传代，然后进行摇动生物反应器适应实验。用酶解从Matrigel中回收细胞，并重新铺板到低吸附6孔板中，确保产生单细胞或小于5个细胞的簇群。在12小时内形成50-200 μm的聚集体。然后将孔板置于Rocker中，并治愈标准CO2培养箱中，摇动速度15-20 RPM，角度12-18°，每天更换50-100%培养基，每3-5天酶解聚集体传代，并保持直径小于400 μm。  2  获得足够多细胞后，接种至Xuri细胞袋。以2 L细胞袋为例，培养体系为300-1000 mL。细胞以0.4-1×106 /mL 接种，并在培养基中添加1-10 μMROCK抑制剂。细胞在37℃，5% CO2，~18% O2条件下培养，摇摆速度15-20 RPM，角度3-5°。  3  在Xuri中传代时，首先停止摇摆，让聚集体重力沉降1-5 min，然后使用Xuri W25系统的泵从细胞袋中移除所有培养基，仅保留25-50 mL，以免干扰沉降的聚集体。然后将预热的500 mL PBS通过无菌焊接的方式接入细胞袋，洗涤细胞，同样重力沉降1-5 min后，使用泵移除所有液体，仅保留25-50 mL。洗涤两次后，泵入50 mL预热的Accutase破碎聚集体，然后加入50 mL完全培养基终止反应，并收集细胞进行下游应用。 结果和讨论 多能干细胞系CT2和NL5适应摇摆培养系统中的悬浮培养后，分离的细胞可以自发形成50-200 μm的聚集体。在6孔板中测试，摇摆速度在15-20 RPM，摇摆角度在12°-18°范围内。建立适应悬浮培养的细胞系后，通常观察到6至10倍的扩增，且细胞存活率高于95%。研究发现，有利于形成较小聚集体的条件能提供更高的扩增速率，这可能是由于较大聚集体中营养物质和气体交换受限。 转移到Xuri生物反应器中后，根据6孔板条件设置摇摆参数以最小化剪切力，防止聚集体聚集，并使培养基在生物反应器中均匀分布。以实现理想的球形多能干细胞聚集体形态，并最小化聚集体聚集。相对于六孔板的最佳条件，确定需要将摇摆角度减小到初始角度的大约25%。在Xuri生物反应器中测试的多能干细胞系的最佳条件包括3°- 5°的摇摆角度和15-20 RPM的摇摆速度。 CT2多能干细胞在波浪式生物反应器中培养4天的平均扩增倍数和活率展示在图1中。分别测试了150，250和1000  mL培养体系。 在150 mL培养体系下，扩增倍数范围为3.7倍至7.0倍，平均扩增5.9倍，平均存活率为97.9%。 在250 mL培养体系下，扩增倍数范围为3.7倍至6.2倍，平均扩增5.3倍，平均存活率为97.4%。 在1升 mL培养体系下，扩增倍数范围为3.1倍至9.5倍，平均扩增6.1倍，存活率为94.3%。而通过采用了改进的自动化介质交换更新实验方法，可以显著提高扩增倍数。 图1. A. CT2多能干细胞聚集体平均扩增倍数 B. 波浪式生物反应器4天培养后细胞平均活 C. 通过改进介质交换模式后显著提高扩增倍数 在细胞培养袋中进行三次连续传代后，对CT2细胞进行了流式细胞术分析，以检测Oct4、SSEA3和Tra-1-60的表达；进行了G显带分析以检测核型；并进行了胚状体的三胚层分化分析（图2）。 流式细胞术证实，在摇动生物反应器中连续传代三次的聚集体保持了超过98%的这三种多能性标志物的表达水平。 数据证实，在六孔板上摇动条件下培养超过五代和在Xuri细胞培养袋中培养三代后，悬浮聚集体保持了多能性和核型稳定性，这与在Matrigel上培养的CT2细胞的特征一致。 图2. （A）自发分化的胚状体对内胚层标志物甲胎蛋白、中胚层标志物平滑肌肌动蛋白和外胚层标志物β-III微管蛋白均呈阳性染色 （B）G显带分析显示，在检测的20个细胞中，20个细胞的核型均正常 （C）对Oct4、Tra-1-60和SSEA3进行流式细胞术分析，结果显示所有多能性标志物均得以维持 结论和总结 多能干细胞悬浮聚集体已被证明是一种高效且表型稳定的细胞扩增和定向分化手段。具备灌流、波浪式摆动和气体交换自动化功能的生物反应器系统对于多能干细胞培养规模的扩大至关重要。 由于干细胞的多能性和分化受化学和物理信号的共同影响，我们研究了一种低剪切力方法，用于在Xuri波浪式式生物反应器中扩增细胞。摇动运动可促进持续混合和通2气，而一次性使用的生物反应器则避免了接种、培养基更换、传代和细胞收获过程中的污染问题。 通过向三个胚层分化以及表面标志物表达，证实了多能性的维持，且扩增后的聚集体保持了稳定的正常核型。Xuri生物反应器所配备的自动化系统Unicorn在整个4天培养过程中无需人工干预，实现了多能干细胞的无人值守扩增。 更多相关内容，欢迎扫码查看文献《自动化封闭式摇摆生物反应器培养多能干细胞》 参考文献： [1] Sengupta, S.; Johnson, B. P.; Swanson, S. A.; et al. Aggregate Culture of Human Embryonic Stem Cell-Derived Hepatocytes in Suspension Are an Improved In Vitro Model for Drug Metabolism and Toxicity Testing. Toxicol. Sci. 2014, 140, 236–245. [2]  Hookway, T. A.; Butts, J. C.; Lee, E.; et al. Aggregate Formation and Suspension Culture of Human Pluripotent Stem Cells and Differentiated Progeny. Methods 2016, 101, 11–20.

在大规模生产诱导多能干细胞（iPSC）的过程中，确保其质量和多能性以满足临床需求面临着诸多挑战。iPSC的多能状态极为敏感，且对培养基质有较强的依赖性。为了实现可放大的干细胞生物工艺，必须采用能够实时监测细胞分化、生长状态及活性的标记物。此外，开发适合的细胞培养模式，以支持高质量的悬浮干细胞生长，是实现工业化规模生产的关键。本文将综述在iPSC的诱导、扩增和生产过程中，如何通过优化培养基、悬浮培养模式和监测技术来维持其质量和多能性。 干细胞生产的最新进展以及挑战 干细胞疗法，包括组织移植和药物发现等应用，已被广泛用于治疗多种临床适应症，特别是在肿瘤、心脏病、免疫疾病和神经疾病等领域。因此，干细胞研究的核心目标之一是在保持细胞分化精确控制的同时，优化细胞生长策略。传统上，胚胎干细胞（ESC）因其固有的多能性而被视为细胞治疗的理想选择，这种多能性使得细胞能够分化为任何特定的细胞类型。ESC的发现为再生医学以及多种病理疾病的治疗提供了巨大的潜力。无论干细胞的来源如何，ESC在增殖过程中必须进行自我更新以维持其多能性，同时抑制向特定细胞类型的分化。 在2007年，Yamanaka及其团队实现了干细胞研究领域的一项重大突破，成功地将人类体细胞转化为具有与人类胚胎干细胞（hESC）相似的基因表达谱和多能性的细胞。这些细胞被命名为人类诱导多能干细胞（hiPSC）。iPSC的产生避免了从胚胎中提取干细胞所带来的伦理问题，使其成为研究和临床应用的一个更为有利的平台。由于其固有的自我更新能力、多能性以及相对较低的免疫原性，iPSC成为一种极具前景的、来源于患者的无限细胞资源，可用于人类遗传疾病的建模和毒理学研究，从而降低了药物开发和临床试验的总体成本和相关风险。凭借其多方面的能力，iPSC技术仍然是个性化细胞治疗和再生医学领域的一个有前途的科学工具。 目前，临床细胞治疗和人类组织再生需要大量（10^8至10^10）符合现行良好生产规范（cGMP）的临床级干细胞。然而，由于多能干细胞对支持基质的依赖以及其多能状态的敏感性，将细胞培养放大到所需规模仍面临重大挑战。在收获过程中，iPSC的最终质量取决于其代谢状态；具体而言，维持多能状态和自我更新对于生产临床级iPSC至关重要。因此，监测细胞分化状态、生长状态和活性的内在标记方法对于大规模生产具有重要意义。此外，现有平台正在不断优化，以满足cGMP标准，从而有效地将生物工艺放大到临床生产环境。本文将重点介绍iPSC细胞培养方法的最新进展，包括培养基、悬浮模式和监测技术，这些方法在一定程度上保持了iPSC的质量和多能性，以满足临床生产的需求。此外，我们还将探讨未来可能提高iPSC生物工艺效率和产量的技术。 从异质细胞群中分离iPSC 许多信号能够激活干细胞分化，因此，细胞培养条件的微小变化或对细胞的应激可能导致细胞群体的异质性分化。这构成了一个严重的安全问题，因为分化细胞的污染可能在细胞移植受体中引发潜在的肿瘤或畸胎瘤形成。然而，干细胞分化也可能自发发生，例如在细胞外基质中长期培养时观察到的间充质干细胞（MSC）的情况。为了调节这种类型的反应并保存用于未来应用的多能干细胞（PSC），已经应用了分离多能细胞和分化细胞的细胞分选方法。荧光活化细胞分选（FACS）和微孔粘附是流行的高通量方法，用于基于定义的多能性特征分离细胞，通过细胞培养条件增强多能性标记阳性干细胞的选择性。对于iPSC，当添加四种抑制剂的小分子混合物（SMC4培养基）时，分选后观察到SSEA4/TRA-1-81阳性iPSC克隆比在传统重编程培养基中分选的细胞衍生克隆增加了55倍。尽管FACS是高度自动化和标准化的，但分选单个细胞以产生稳定的多能细胞克隆仍然是一项劳动密集型且耗时的工作。因此，能够产生多能细胞群体作为池培养的方法是首选的，因为池可以保持多能标记物的长期稳定表达。为此，使用细胞表面标记抗体的磁激活细胞分选（MACS）方法已被用于生成iPSCs池。在这种情况下，用TRA-1-60和SSEA4抗体进行一轮异质性细胞池分选后，TRA-1-60和SSEA4阳性细胞的数量分别增加了28%和11%。另外几轮的MACS进一步富集了表达多能性标记的细胞群体。一般来说，MACS是比FACS更好的方法，因为它可以轻松快速地同时在多个样品上进行，同时仅对细胞施加较小的剪切应力。 尽管细胞分选技术在基于形态学和表面标志物表征干细胞群体方面表现出有效性，但其在分离动物或临床研究级别的多能干细胞方面的广泛应用仍受到限制。这主要是由于GMP级抗体的高昂成本以及临床级FACS设备和专业技能的有限可用性。因此，在未来的细胞治疗临床试验中，迫切需要开发可放大的平台，以生成可靠、均一且安全的临床级多能干细胞群体。 最佳iPSC培养基及培养基的开发 在iPSC扩增过程中，确保其质量的关键步骤之一是使用经过良好表征的材料，其中细胞培养基和基质发挥着至关重要的作用。细胞培养基通过提供营养、矿物质和pH值的良好平衡，对维持健康且增殖的细胞至关重要。细胞培养基质则作为细胞粘附和增殖的支撑结构，通常被饲养层细胞或生长支持因子包裹，以进一步促进细胞的粘附和生长。使用完全表征的细胞培养系统对于控制良好的生物工艺过程至关重要，尤其是对于生产临床级别的生物样品。在过去十年中，iPSC培养基配方和基质已经得到了显著的发展，这主要得益于对维持iPSC细胞系多能性和整体工艺可放大性的信号通路的深入考虑。 在为iPSC设计培养基时，一种有效的策略是识别多能性依赖的信号转导途径中涉及的内源性生长因子。调控干细胞多能性基因表达的途径多种多样，包括转化生长因子（TGF）-β超家族激活级联、受体酪氨酸激酶信号通路（如碱性成纤维细胞生长因子（bFGF）的下游信号）、以及涉及胰岛素样生长因子（IGF）的途径等。值得注意的是，维持小鼠胚胎干细胞（mESC）多能性的蛋白质和生长因子（如骨形态发生蛋白（BMP）和白血病抑制因子（LIF））与人类胚胎干细胞（hESC）不同。多能干细胞在维持多能性和自我更新方面可能需要不同的生长因子。例如，bFGF已被确定为维持体外hESC自我更新的关键添加物，在无饲养层培养物中其浓度通常在40 ng/ml到100 ng/ml之间。此外，Wnt/β-catenin信号通路与hPSC的自我更新相关，尽管单独添加Wnt3a不足以在没有饲养层细胞的情况下维持未分化的hESC。由于这些代谢研究主要在hESC上进行，而非iPSC，因此需要对iPSC进行更深入的表征，以便设计培养基，并考虑每种新细胞系在临床应用中开发的独特要求。 通过提供特定的干性支持因子以及创造富含细胞外基质（ECM）的环境，基于饲养层细胞的基质可以防止干细胞自发分化，并改善ESC和/或iPSC的附着。最常用的饲养层细胞是增殖失活的小鼠胚胎成纤维细胞（MEF），因为它们能够产生多种对维持多能性至关重要的蛋白质，如TGF-β1、激活素A、BMP-4和多营养因子（肝素结合生长因子）等。然而，由于饲养层细胞的增殖能力有限，经过多次传代后，其支持iPSC多能性的效率会降低，且在分离iPSC过程中存在较高的污染风险，这在大规模生产iPSC时会引发相关技术挑战。此外，动物源性饲养基质可能增加病原体和未知病毒向宿主细胞转移的风险，从而导致免疫系统的排斥反应。因此，iPSC的培养方法主要转向使用ECM蛋白、条件培养基或合成生物材料，以实现无动物成分和无细胞（称为“无饲养”）的培养系统。 在过去十年中，随着培养基技术的进步，iPSC细胞培养基质逐步达到了cGMP标准。最近的研究表明，长期使用动物源性血清和含异源分子的培养基可能会影响细胞形态、扩增潜力、基因表达和细胞因子谱。这促使了无异源成分培养基（XFM）配方的开发，随后是无动物源性成分（ACF）培养基，以支持iPSC的扩增。在已开发的ACF培养基中，Essential 8™（Thermo Fisher Scientific）培养基是iPSC培养中使用最广泛的基础培养基之一，因为它包含了8种对干细胞增殖至关重要的成分：DMEM/F12、L-抗坏血酸、磷酸镁、硒钠、FGF-2、胰岛素、NaHCO3以及转铁蛋白、TGF-β1或Nodal。 无饲养iPSC扩增技术的发展为未来的自动化生产提供了可能性。事实上，利用CompacT SelecT™细胞培养系统，在无饲养条件下，大规模自动化生产未分化的iPSC是可行的。在这种情况下，使用含有Activin A和FGF-2的化学限定培养基（CDM）进行自动传代的聚体hiPSC能够保持其特征形态和多能性标记物的表达。生物材料也被探索作为无饲养iPSC培养系统的增强基质。例如，一项研究发现，具有最佳弹性（25 kPa）的水凝胶基质能够使细胞保持多能性。进一步的研究表明，接枝到水凝胶（储存模量为25 kPa）上的双链体外连接素衍生的寡肽支持hESC和iPSC的长期生长，可持续超过10代。细胞外基质（ECM），如纤维连接蛋白、层粘连蛋白和玻璃体连接蛋白，或来自ECM的寡肽，具有特定的细胞结合结构域，使其成为支持iPSC在无饲养基质系统中生长的重要成分。3D生物打印和细胞/组织打印技术也为未来的工艺放大和自动化提供了新的可能性。最近的研究表明，当iPSC在涂有纤维连接蛋白的无饲养壳聚糖或聚氨酯膜上驯化和扩增时，细胞打印技术的有效性得到了验证。在这项研究中，嵌入热敏聚氨酯（PU）水凝胶基质的iPSC显示出更高的活性。然而，需要进一步优化基于聚合物的无饲养基质，因为PU水凝胶培养的多能性标记（如OCT4和NANOG）与对照MEF饲养层培养存在差异。 细胞培养动力学不仅决定了iPSC的最终行为，还影响了整个生物工艺的成本。尽管在具有监测和反馈控制pH值和溶解氧（DO）能力的一次性多层培养器皿中，已经证明了在2D静态培养中大规模生长hPSC的可行性，但在2D或3D静态基质上大规模生产hPSC仍是一种成本高、劳动密集且空间需求大的方法。已知静态培养条件会导致培养基成分、代谢废物、旁分泌因子和气体的不利梯度。目前的共识是，动态悬浮培养是实现临床应用所需的多能干细胞密度的最佳方法，目前正积极开发高效且可放大的悬浮多能干细胞扩增的新策略。例如，可以利用成功的基质研究来设计最佳的悬浮培养模式。 iPSC悬浮方式的关键考虑因素 (聚集体、微载体和微胶囊) 无基质的iPSC悬浮培养系统克服了静态基质在放大生产方面的局限性，同时支持iPSC的生长和多能性维持。由于iPSC的贴壁特性，在悬浮体系中接种和扩增时，会自发形成3D聚集体（或球体）。这些iPSC聚集体与胚状体（EB）相似，因此可以作为扩增后直接进行谱系分化的有效途径。iPSC聚集体的生长和多能性主要受微环境、聚集体大小分布和细胞培养罐大小的影响。已有研究对培养条件进行了优化，使得hiPSC在转瓶中于E8™无饲养条件下，以未分化的悬浮细胞聚集体形式扩增超过10代。此后，搅拌悬浮培养已扩展至3000 ml的一次性生物反应器（1000 ml工作体积），以生产大量的hiPSC聚集体（多达2x10^9个细胞），同时保持多能性标记物的表达，包括TRA-1-81、SSEA-4、OCT4和SOX2。 然而，动态悬浮培养中iPSC聚集体的扩增存在一些限制。与静态悬浮培养相比，其扩增效率较低，且聚集体大小分布不均匀。若不加以控制，细胞团块（>800 μm）的形成可能导致细胞活性下降、自发分化增加、营养和氧气扩散梯度加剧，以及整体扩增过程变慢。通过优化搅拌桨类型和搅拌速度，可以有效控制iPSC培养中的聚集体尺寸。垂直轮生物反应器（VWBR）是一种新型的生物反应器系统，能够在扩增iPSC的同时降低聚集体的大小。该系统通过垂直叶轮搅拌实现容器内的高效均质化。使用该系统，在保持多能性的同时，成功产生了平均直径为350 μm的聚集体（最高密度可达2.3x10^6 cells/ml）。 培养基添加剂对聚集体的形成有显著影响。例如，在hiPSC聚集体的扩增过程中，短期应用维甲酸（RA）可以进一步维持其多能性。类维生素A通过提高多能依赖性转录因子（如Nanog和Oct4）的表达以及激活磷脂酰肌醇-3激酶（PI3K）信号通路来支持iPSC的自我更新。此外，在化学限定培养基中添加Rho相关卷曲螺旋激酶（ROCK）抑制剂Y27632可以促进多种悬浮罐类型中从单细胞接种开始的iPSC聚集体的形成。ROCK抑制剂通过减少解离诱导的细胞凋亡和提高克隆效率来支持干细胞聚集体的存活。然而，最近的研究表明，长期暴露于ROCK抑制剂会改变iPSC的代谢特性。因此，培养基添加剂、接种策略和生物反应器设置是优化生物工艺产量的关键参数。通过进一步优化，可以实现足够用于临床应用的iPSC聚集体的大规模生产。在这种模式下，需要改进营养物质的运输机制和聚集体的大小分布，以在高密度条件下保持细胞聚集体的多能性和活力。 微载体 在生物反应器系统中加强干细胞培养扩增的工作已经在微载体的应用方面取得了显著进展。微载体的优势在于它们提供了一个表面积以支持多能干细胞（PSC）的生长和附着，同时保留了动态悬浮培养系统的特点。微载体可用于细胞种子制备，如果是可生物降解的，还可以在治疗过程中用于将细胞运送到受损组织。各种生物可降解材料通常用于制造针对细胞系扩增的微载体，包括葡聚糖、胶原蛋白、明胶、聚乳酸-羟基乙酸（PLGA）、聚L-乳酸（PLLA）、聚苯乙烯（PS）和羟基磷灰石（HA）。与较大的静态基质类似，微载体通过其表面电荷的适当调控，以及当被细胞外基质（ECM）蛋白（如玻璃体连接蛋白、纤维连接蛋白和层粘连蛋白）包裹时，为PSC的生长提供了进一步增强的支持。搅拌微载体培养系统已被证明可以促进贴壁依赖性干细胞的扩增和规模放大，同时为监测和控制干细胞健康和分化提供了必要的工具。通过增强氧气供应和代谢物的质量传输以及降低微环境毒性，PSC的产量得以提高。 然而，在使用微载体扩增hiPSC时，存在一些需要考虑的问题。微载体的限制主要取决于其直径（100-400 μm）、密度（通常为1 g/ml）和化学成分，这些因素会影响细胞的附着，从而影响扩增能力。由于微球的表面积有限，hiPSC的峰值密度似乎受到微球与细胞比例的限制。附着在微载体微球上的细胞需要经过酶解和过滤处理，这可能会损害细胞的活力和多能性，具体取决于所采用的方法。为了解决这一问题，生物可降解微载体正在开发中。与传统的聚苯乙烯（PS）微载体相比，无异源可溶性微载体的开发取得了显著进展，使得转瓶中的细胞回收率大幅提高。 搅拌式生物反应器会对微载体微球施加流体动力剪切应力，这可能会影响hiPSC的整体健康和多能性。通过优化生物反应器的工艺参数（如搅拌速率），可以减轻剪切应力对iPSC的不利影响。例如，Gupta及其同事的研究表明，在转瓶中，iPSC在微载体上的长期附着、多能性和扩增依赖于维持25 RPM的最佳搅拌速度。这种参数优化方法需要应用于更大规模的iPSC扩增（如生物反应器）。 微载体微球的制造成本是另一个需要考虑的问题，因为根据所使用的材料和添加剂，该工艺可能会变得异常昂贵。因此，微载体材料应具有成本效益，如果可能的话，应可回收，并且在每次生产运行后可消毒。目前，基于微载体的iPSC培养方法正在开发中，旨在通过控制良好的生物工艺系统实现人类iPSC在细胞治疗和组织工程中的持续扩增和回收。 利用微载体制备人诱导多能干细胞 (hiPSC) 的生物工艺研究进展，典型工艺包括静态培养、放大工艺、下游工艺和制剂，微载体通常在放大过程中引入，在下游工艺过程中去除。 微胶囊化 微胶囊与将细胞附着在微球表面的微载体不同，微胶囊化涉及将细胞捕获在球形胶囊内，细胞生长所需的营养物质、氧气和其它生长因子可以通过球形胶囊扩散。球形胶囊由半透性材料或膜组成，在悬浮培养系统中可以保护细胞免受聚团和剪切力的影响。用于生成微胶囊的生物材料包括海藻酸盐、琼脂糖、尼龙、胶体、聚苯乙烯、丙烯酸酯、聚赖氨酸-海藻酸盐水凝胶、醋酸纤维素-乙基纤维素和聚酯膜。通常通过乳化或挤压方法捕获细胞，形成保护管，使细胞增殖。总的来说，聚合物微胶囊与凝胶微胶囊相比具有一定的优势，包括生物相容性和GMP相容性。每单位体积的胶囊材料可以容纳更多的细胞，并且由于在胶囊内空间存在液体细胞悬浮液，聚合物胶囊中的颗粒间扩散限制不那么严重。 在微胶囊系统中培养的干细胞既可以维持多能性，也可以被诱导分化，这取决于其胶囊的组成和微环境中存在的生长因子。微胶囊化技术在大规模生产中所面临的缺点与微载体类似，即制造成本和有限的表面积。此外，一些干细胞类型，如hMSC，在没有添加肽或蛋白质（如纤连蛋白）的情况下被包裹时 (例如，在海藻酸盐中) 增殖困难，前者可改善细胞附着。相比之下，如果细胞附着增强，在收获过程中回收被包裹的细胞可能会带来更困难的挑战。 iPSC监测技术、计算机建模和质量设计 hiPSC敏感的多能性受到细胞微环境、代谢和信号通路变化的影响，因此对需调节干细胞分化的细胞治疗和组织工程方法的发展构成了重大挑战。细胞聚集体悬浮培养和微载体系统的最新进展为有朝一日实现大规模生产用于各种临床应用的hiPSC提供了希望。然而，未来大规模生物反应器 (>5L) 的利用需要开发新的生物反应器监测技术，以便在控制干细胞分化的同时优化iPSC生产过程。 目前有几种离线分析方法可用于生物反应器监测，其中许多方法确定重要的过程变量，如细胞计数、细胞活力和培养基中特定成分的浓度。通常使用染料排除法 (即台盼蓝排除显微镜) 和流式细胞术来测量细胞浓度和活力，而一些流式细胞术也可以量化PSC群体。最近为提高iPSC表征工作的通量所做的努力表明，将荧光细胞条形码 (FCB) 结合到流式细胞术中可以识别多能性和细胞异质性。尽管条形码方法对连续平台不实用，但它们是有用的离线质量控制 (QC) 测试方式。质谱 (MS) 和高效液相色谱 (HPLC) 已被联合用于代谢组学和蛋白质组学研究，确定指示或影响多能性的代谢标记物和途径。这些发现揭示了在代谢物水平上预测和监测iPSC分化的计算机建模的必要性。有趣的是，糖酵解和蛋氨酸代谢被发现调节造血干细胞的分化，因此，模拟这些途径中涉及的关键代谢物的行为可能是一个合适的起点。与此同时，高效液相色谱和质谱系统也得到了改进，以促进在线和近线测量，例如采样自动化，但这些技术仍然受到维护成本和处理样品所需时间的限制。Western blots、qPCR或RT-PCR和免疫组织化学 (ELISA) 是常用的检测方法，通过检测相对于天然ESC的ESC标记基因的表达水平，来确定hiPSC在特定时间点的代谢功能和分化状态。总的来说，在整个制造过程中，有几种有效的离线分析方法可以确定iPSC的多能性和质量。然而，非自动化离线分析测试的样品收集和准备，以及仪器和试剂盒的成本和维护，限制了过程的可放大性，增加了生产成本，牺牲了样品，并存在培养污染的风险。此外，样品采集和数据输出之间的时间延迟大大限制了它们作为过程控制技术的实用性。 为了提高工艺可放大性，生物制药行业最近开始采用质量源于设计 (QbD) 战略，其中工艺和产品管理基于科学知识和风险评估。通过这种方式，可以利用传感器或其它实时检测变化的分析技术开发更灵活的生产工艺，允许通过数据驱动的过程控制进行快速响应，从而在潜在的运行故障发生之前减轻故障。QbD框架通过将可测量的细胞群体的分子和细胞特征与最终产品质量联系起来来运作。就iPSC而言，有效的QbD策略需要实时测量影响干细胞多能性和自我更新的关键参数。 在线传感器在生物反应器过程实时监测方面很有应用前景，包括目前最先进的DO和pH探针。先前的研究表明，缺氧和生物反应器流体动力学可以共同诱导hiPSC向心肌细胞分化，因此，DO水平是生产过程中维持iPSC质量的关键工艺参数。光谱方法，如拉曼和近红外，也可以作为有用的在线探针来监测代谢物 (葡萄糖、乳酸等)，因此，在开发化学计量模型和机器学习算法时，可以提供有用的信息，实时预测和调节iPSC多能性。除了标准的工艺特征外，可重复和稳定形成的hiPSC聚集体对工艺可放大性至关重要。在这方面，某些光学技术显示出作为实时监测细胞健康和分化状态的工具的潜力。例如，双光子激发 (TPE) 荧光显微镜光学测量NAD(P)H和FAD的自身荧光已被证明是监测三维组织构建中细胞分化的有效技术。结合荧光寿命成像显微镜( FLIM)， TPE可以通过NAD(P)H和FAD的光学氧化还原比和荧光寿命来确定MSC的分化状态。通过对NAD+/(NADH + NAD+)的LC-MS/MS测量证实，在分化的MSC培养物中观察到光学氧化还原比值的下降，这是为生物反应器设计的TPE-FLIM探针的潜在能力的一个例子。利用TPE-FLIM作为iPSC监测工具，必须开发一种稳健而灵活的TPEM探针，可以接近生物反应器内的细胞并收集在线数据；然而，目前还没有这样的产品存在。最近，一种原位显微成像装置被开发出来，用于实时可视化和监测连续搅拌罐生物反应器中hiPSC聚集。虽然聚集体大小的控制对维持多能性很重要，但分化进展的直接指示只能通过安装荧光显微镜模块来实现。毫无疑问，仍然需要新的创新工具，结合显微镜成像和荧光检测来评估hiPSC在动态培养中的多能状态。 质量控制措施和考虑因素 为了充分发挥iPSC衍生疗法的潜力，iPSC需要在临床级GMP标准下生产。这是一个复杂的过程，其中iPSC细胞系、传代和关键质量属性 (CQA) 可比性的表征和论证是必不可少的，并且有充分的记录。CQA被定义为生物、化学或物理性质，这些性质应保持在适当的限度内，以维持或控制最终产品的质量。随着自动化、封闭细胞培养系统和经过验证的测试方案的发展，iPSC生产线工业化的目标比以往任何时候都更接近。国际干细胞库倡议 (ISCBI) 最近为临床级hiPSC注册提供了推荐指南，包括：（i）多能性测试; （ii）体外和体内分化测试；（iii）核型分析显示遗传稳定性；（iv）细胞身份鉴定；（v）通过干细胞阵列分析基因表达特性；（vi）微生物试验。 目前用于iPSC扩增的GMP级培养系统需要多次更换培养基和传代，这导致了显著的可放大性、可重复性和成本挑战。由于这些原因，目前个性化iPSC生产的财务成本对大多数患者来说是负担不起的，因此，iPSC库的构建将是有益的。全球iPSC治疗联盟 (GAiT) 的成立旨在支持针对临床应用的iPSC库的创建和全球协调。Alvarez-Palomo及其同事总结了创建临床级iPSC库的关键考虑因素和标准操作程序。 iPSC领域的一个主要QC问题是遗传组稳定性。由于可获得的长期临床数据有限，需要制定严格的遗传稳定性检测指南。先前涉及iPSC的临床试验因在细胞重编程过程中观察到单核苷酸变异(snv)和拷贝数变异(cnv)而暂停。因此，全基因组测序(WGS)，包括snp和比较基因组杂交(CGH)阵列，被推荐作为iPSC产品进入临床前的QC测试。用于生成hiPSC的基因转染平台也对基因组整合带来了巨大的安全问题。由多肽生成的非转基因PSC效率较低，mRNA/miRNA转染需要多个步骤，这就产生了批次间的可变性。毋庸置疑，在整个细胞治疗生物工艺中，遗传标记验证对于开发安全有效的治疗方法至关重要。 结束语和未来展望 在过去的十年中，hiPSC生物工艺技术有了显著的进步，但在临床应用和新产品推出方面的进展仍然缓慢。主要挑战来自基础生物科学和当前大规模生产平台的局限性。现有的hiPSC工艺开发和生产方法是劳动密集型的，这在很大程度上限制了工艺的可放大性，并导致不可预测的批次间可变性。业界一致认为，生产iPSC的最佳方法是悬浮培养，从而提高细胞的生长能力。当选择悬浮方式进行放大时，应考虑将多能性iPSC的生长特征与其随后的分化细胞类型结合起来的工艺，因为一些研究已经发现了多种有益的基质来生长特定类型的高质量iPSC。与重复批次工艺相比，完全自动化的灌流操作与培养环境的反馈控制将允许营养物质的持续置换，并获得显著更高的细胞产量。由于诱导多能干细胞的应激敏感性，目前的灌流系统仅成功用于小鼠诱导多能干细胞。然而，使用现有的ACF培养基和微载体悬浮微球成功扩展hiPSC，表明该行业未来有能力实现可放大的高质量PSC密度。此外，存在进一步推进iPSC工艺发展领域的额外机会。 随着新技术和新模式的出现，需要工艺友好的表征方法和监测工具来控制iPSC在生产过程中的质量。由于基因组和代谢组稳定性对hiPSC的重要性，基因组维度的模型可用于确定影响多能性的关键工艺参数，并指导生产过程中生长表型的优化。此外，结合图像和荧光显微镜的更灵敏的细胞质量检测工具将进一步增强实时监测干细胞分化的PAT。随着这些分析工具的发展，进一步的培养基优化和QbD策略的扩大，临床级iPSC的大规模生产的目标将在未来十年实现。 参考资料：A.Polanco, B.Kuang, S.Yoon, Bioprocess Technologies that Preserve the Quality of iPSCs. Trends in Biotechnology, 2020. 识别微信二维码，添加生物制品圈小编，符合条件者即可加入 生物制品微信群！ 请注明：姓名+研究方向！ 版 权 声 明 本公众号所有转载文章系出于传递更多信息之目的，且明确注明来源和作者，不希望被转载的媒体或个人可与我们联系(cbplib@163.com)，我们将立即进行删除处理。所有文章仅代表作者观点，不代表本站立场。

▎药明康德内容团队编辑 近期，全球细胞和基因疗法（CGT）领域迎来系列进展。FDA批准了首款间充质基质细胞（MSC）疗法Ryoncil。诺华（Novartis）用于治疗脊髓性肌萎缩症（SMA）的一次性基因疗法达3期临床试验终点，是首个在年龄≥2岁、未经治疗的SMA患者中显示出临床益处的在研基因疗法。能够特异性靶向6种不同肿瘤抗原的T细胞疗法MT-601用于治疗淋巴瘤患者，在一项1期研究中的客观缓解率（ORR）达78%。本文将节选其中部分重要进展做简单介绍，仅供读者参阅。 图片来源：123RF ———✦研发进展✦——— ◇ 美国FDA宣布批准Mesoblast公司开发的Ryoncil（remestemcel）上市，用于治疗≥2个月的儿童患者的类固醇难治性急性移植物抗宿主病（SR-aGVHD）。Ryoncil是一种通过同种异体骨髓生成的间充质基质细胞，它通过抑制T细胞增殖，和下调促炎细胞因子和干扰素的产生，来调节T细胞介导的炎症反应。Ryoncil疗效的主要依据是治疗开始后28天的缓解率和缓解持续时间。结果显示，16名受试者（30%）在接受Ryoncil治疗28天后达到完全缓解，而22名受试者（41%）达到部分缓解。FDA的新闻稿指出，Ryoncil是首个FDA批准的间充质基质细胞疗法。 ◇ 诺华公布了其鞘内注射的一次性基因疗法onasemnogene abeparvovec在3期STEER研究中获得的积极初步结果。这项关键性研究的研究对象是2岁至18岁以下、能够坐立但从未独立行走的2型脊髓性肌萎缩症患者。结果显示，研究达到了主要终点，接受治疗的SMA患者的汉默史密斯功能运动量表（HFMSE）总分较基线增加，该量表是SMA特异性评估运动能力和疾病进展的金标准。新闻稿指出，该疗法是首个在年龄≥2岁的未经治疗的SMA患者中显示出临床益处的在研基因疗法。 ◇ Marker Therapeutics公司公布了其多抗原识别（MAR）T细胞产品MT-601用于治疗淋巴瘤患者的1期临床试验结果，这些患者在接受CD19靶向嵌合抗原受体（CAR）-T细胞疗法后复发，或无法接受CD19靶向CAR-T细胞治疗。截至2024年9月10日的数据，9名接受治疗的患者中有7名在首次缓解评估中达到缓解，ORR为78%，其中4名患者（44%）达到了完全缓解（CR）。安全性方面，MT-601在所有受试者中均具有良好的耐受性，未观察到免疫效应细胞相关神经毒性综合征（ICANS）。 MT-601能够特异性靶向在淋巴瘤细胞中上调的六种不同肿瘤抗原：Survivin、PRAME、WT-1、NY-ESO-1、SSX-2、MAGE-A4。这种细胞疗法通过选择性扩增患者体内的肿瘤抗原特异性T细胞生成，没有经过基因工程改造。由于靶向多种肿瘤相关抗原，肿瘤细胞不容易通过丢失单一抗原来逃避该疗法的攻击。 ◇ Arbor Biotechnologies公司宣布，美国FDA批准了其用于治疗1型原发性高草酸尿症（PH1）的新型基因编辑疗法ABO-101的IND申请。ABO-101由脂质纳米颗粒（LNP）封装表达新型Type V CRISPR Cas12i2核酸酶的mRNA和经过优化的、特异性靶向人类HAO1基因的引导RNA制作而成。该疗法旨在作为一次性治疗手段，通过永久性地使肝脏中的HAO1基因失活来减少与PH1相关的草酸盐生成。即将开展的1/2期研究旨在评估ABO-101在成人和儿童PH1患者中的安全性、耐受性、药代动力学、药效学和初步疗效。 ◇ 科济药业宣布，其靶向Claudin18.2的自体CAR-T细胞候选产品舒瑞基奥仑赛注射液的一项关键2期临床试验CT041-ST-01已达到主要终点。该试验是一项在中国进行的随机对照、多中心研究，旨在评估舒瑞基奥仑赛注射液用于治疗Claudin18.2表达阳性、既往接受过至少2线治疗失败的晚期胃/食管胃结合部腺癌患者的有效性和安全性。受试者以2：1的比例随机分配至舒瑞基奥仑赛注射液组或研究者选择治疗组（包括紫杉醇、多西他赛、伊立替康、阿帕替尼或纳武利尤单抗）。结果显示，与研究者选择治疗组相比，舒瑞基奥仑赛注射液组中的受试者的无进展生存期具有统计学意义上的显著改善。既往试验数据表明，该产品安全性可控。 该公司近期还宣布，其自主研发的一款靶向CD19/CD20的通用型CAR-T细胞治疗候选产品KJ-C2219已在中国启动一项针对复发/难治性B细胞非霍奇金淋巴瘤（R/R B-NHL）的研究者发起的临床试验（IIT）。 ◇ 星汉德生物（SCG）宣布，中国国家药品监督管理局（NMPA）药品审评中心已批准其全新一代人乳头瘤病毒（HPV）特异性T细胞受体（TCR）工程化T细胞疗法SCG142的IND申请，用于治疗HPV感染相关的恶性肿瘤，包括宫颈癌、口咽癌、头颈癌、阴道癌、外阴癌和阴茎癌等。临床前数据表明，SCG142通过嵌合开关受体强化技术，在不依赖于CD8共受体信号的情况下，能有效双重激发CD8阳性与CD4阳性TCR-T细胞，在高度免疫抑制性的肿瘤微环境下，发挥强效的抗肿瘤活性，并促进记忆性T细胞的长期存续，确保免疫细胞疗法持久显著的治疗效果。此外，SCG142的高亲和力特性，可以同时识别HPV-16和HPV-52基因型相关宫颈癌、头颈癌等多种HPV病毒相关肿瘤，显著提升患者人群覆盖率。 ———✦融资、合作、M&A✦——— 图片来源：123RF ◇ 安斯泰来（Astellas Pharma）和Sangamo Therapeutics公司宣布达成一项许可协议，允许安斯泰来将Sangamo的新型专有神经趋向性腺相关病毒（AAV）衣壳STAC-BBB用于多达5个潜在神经系统疾病靶点的权利。该衣壳已在非人类灵长类动物中显示出强大的血脑屏障穿透能力和神经元转导能力。根据协议条款，Sangamo负责完成与STAC-BBB衣壳相关的技术转移。安斯泰来负责所有研究、临床前和临床开发、监管互动、制造以及由此产生的基因治疗产品的全球商业化。Sangamo将从安斯泰来获得2000万美元的预付款许可费用，并有资格获得高达13亿美元的额外靶点许可费用和里程碑付款。 ◇ PeproMene Bio公司宣布获得滤泡性淋巴瘤创新研究所（Institute for Follicular Lymphoma Innovation，简称IFLI）投资的1100万美元，该资金将用于资助其靶向BAFF-R的CAR-T细胞疗法PMB-CT01在治疗复发或难治性滤泡性淋巴瘤患者方面的临床研究与开发。该投资包括600万美元的预付款和额外500万美元的条件性分批投资。研究表明，BAFF-R靶向CAR-T细胞在体外和动物模型中能够有效杀死人类淋巴瘤和白血病细胞。PeproMene Bio公司已从City of Hope获得与PMB-CT01相关的知识产权许可。 ◇ 瑞风生物科技有限公司（简称“瑞风生物”）宣布获得数亿元人民币的新一轮融资，所得资金将主要用于推动其基因编辑药物的临床试验、后续研发管线扩展以及核心技术创新。本轮融资由广州产投领投，广州金控、科金控股及现有股东港粤资本等机构跟投。 目前，该公司已在α和β两类地中海贫血遗传病领域进行基因编辑药物产品管线的布局。瑞风生物针对β-地中海贫血的产品RM-001在全球范围内开展了基于新靶点基因编辑的临床研究，并取得了较好的临床疗效，全部受试者实现脱离输血。该产品的确证性临床试验有望于近期开展。其针对α-地中海贫血的创新基因编辑药物RM-004已成功治疗首位患者。针对视网膜疾病Usher综合征的创新药物RM-101于2024年相继获得中美监管部门批准开展临床试验。除以上管线外，瑞风生物还布局了中枢神经系统（CNS）和肝脏等领域的重大疾病体内基因编辑疗法，部分项目已取得阶段性进展。 ▲欲了解更多前沿技术在生物医药产业中的应用，请长按扫描上方二维码，即可访问“药明直播间”，观看相关话题的直播讨论与精彩回放 参考资料（可上下滑动查看） [1] FDA Approves First Mesenchymal Stromal Cell Therapy to Treat Steroid-refractory Acute Graft-versus-host Disease. Retrieved December 18, 2024, from https://www.fda.gov/news-events/press-announcements/fda-approves-first-mesenchymal-stromal-cell-therapy-treat-steroid-refractory-acute-graft-versus-host?utm_medium=email&utm_source=govdelivery [2] Novartis intrathecal onasemnogene abeparvovec Phase III study meets primary endpoint in children and young adults with SMA. Retrieved December 30, 2024, from https://www.novartis.com/news/media-releases/novartis-intrathecal-onasemnogene-abeparvovec-phase-iii-study-meets-primary-endpoint-children-and-young-adults-sma [3] Arbor Biotechnologies Announces FDA Acceptance of IND Application for ABO-101 for the Treatment of Primary Hyperoxaluria Type 1. Retrieved December 19, 2024, from https://www.globenewswire.com/news-release/2024/12/19/2999724/0/en/Arbor-Biotechnologies-Announces-FDA-Acceptance-of-IND-Application-for-ABO-101-for-the-Treatment-of-Primary-Hyperoxaluria-Type-1.html [4] Marker Therapeutics Provides a Clinical Update on MT-601 in Patients with Lymphoma. Retrieved December 19, 2024, from https://ir.markertherapeutics.com/news-releases/news-release-details/marker-therapeutics-provides-clinical-update-mt-601-patients [5] 科济药业宣布Claudin18.2 CAR-T舒瑞基奥仑赛注射液中国胃癌关键II期临床试验取得初步阳性结果. Retrieved December 30, 2024, from https://www.prnasia.com/story/474383-1.shtml [6] 科济药业宣布启动一项通用型CD19/CD20 CAR-T研究者发起的临床试验. Retrieved December 31, 2024, from https://www.prnasia.com/story/474477-1.shtml [7] 2025开年重磅：星汉德生物全球首创HPV相关肿瘤全新一代TCR-T获批. Retrieved January 3, 2024, from https://www.prnasia.com/story/474645-1.shtml [8] Astellas and Sangamo Therapeutics Announce Capsid License Agreement to Deliver Genomic Medicines for Neurological Diseases. Retrieved December 19, 2024, from https://www.prnewswire.com/news-releases/astellas-and-sangamo-therapeutics-announce-capsid-license-agreement-to-deliver-genomic-medicines-for-neurological-diseases-302335494.html [9] PeproMene Bio, Inc.获得1100万美元投资. Retrieved December 20, 2024, from https://www.prnasia.com/story/473654-1.shtml [10] 瑞风生物获数亿元新一轮融资，引领基因编辑创新药物研发. Retrieved December 30, 2024, from https://mp.weixin.qq.com/s/I4ROswrzq2CyLHbBS7BtLw 免责声明：药明康德内容团队专注介绍全球生物医药健康研究进展。本文仅作信息交流之目的，文中观点不代表药明康德立场，亦不代表药明康德支持或反对文中观点。本文也不是治疗方案推荐。如需获得治疗方案指导，请前往正规医院就诊。 版权说明：本文来自药明康德内容团队，欢迎个人转发至朋友圈，谢绝媒体或机构未经授权以任何形式转载至其他平台。转载授权请在「药明康德」微信公众号回复“转载”，获取转载须知。 分享，点赞，在看，聚焦全球生物医药健康创新