A novel culture medium for high-density 3D expansion of human induced pluripotent stem cells as free-floating aggregates
本研究表明，一种新型低成本培养基（S8）结合动态灌流策略，能够在生物反应器中实现人类诱导多能干细胞的高密度、高性价比 3D 扩增，同时保持其多能性，并获得与现有商业化培养基相当的生产率。
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人类诱导多能干细胞是一种卓越的生物学工具，能够转化为人体内的任何类型的细胞。科学家们长期以来一直希望利用它们来修复受损组织、模拟疾病并测试新药。然而，将这一潜力转化为现实一直受到一个实际瓶颈的阻碍：生长足够数量的此类细胞极其困难且昂贵。维持它们生存所需的液体食物（被称为培养基）配方复杂且造价不菲。此外，大规模培养这些细胞通常需要它们附着在平面上，这种方法并不适用于工业化生产的规模化扩展。为了让这些疗法惠及患者，研究人员需要一种能够快速、廉价且安全地生长大量此类细胞的方法，理想的情况是让它们在液体中自由漂浮，而不是被迫紧贴在壁上。
一个研究小组开发出一种新方法来应对这些挑战，该方法结合了一种简化的低成本液体食物和一种动态的细胞喂养方式。他们测试了一种名为 S8 的新配方，专门设计用于在搅拌罐生物反应器内培养作为自由漂浮团块（或称聚集体）的人类诱导多能干细胞。这个容器就像一片温和且受控的海洋，让细胞可以在其中游泳并增殖。研究人员发现，这种新培养基使细胞的生长速度比以往的标准配方快得多，在短短五天内就达到了每毫升 450 万个细胞的密度。这代表了原始细胞数量近 34 倍的扩张。至关重要的是，这些细胞保持了健康状态，并保留了转化为任何类型细胞的能力，证明了即使在如此高的密度下，这种新方法也没有损害其质量。
为了使过程更加高效，该团队引入了一种智能喂养策略，根据细胞的实时需求来调整新鲜液体的供应。该系统并非按照固定的时间表更换液体，而是通过监测细胞消耗了多少氧气，并据此增加新鲜培养基的流量。这确保了细胞始终有足够的营养，同时不会浪费昂贵的液体。这种动态方法实现了一个高度高效的过程，即每一毫升液体都能产生大量的细胞。研究人员确认，在这种新系统中生长的细胞不仅在快速增殖，而且还形成了健康、球形且形状一致的团块。他们对细胞进行了遗传稳定性检查，未发现损伤或异常迹象；测试表明，这些细胞仍能分化为人体内三种主要组织类型：构成皮肤和神经的外胚层、构成肌肉和骨骼的中胚层，以及构成器官的内胚层。
该研究还将这种新方法与其他成熟技术进行了对比，包括那些使用更复杂且昂贵液体食物的技术。结果显示，新的 S8 培养基配合智能喂养系统，在生长速度和细胞产量方面与现有的最佳方法表现相当，但其设置更为简单且更具成本效益。以往的方法通常需要精细的调节或使用昂贵的添加剂来维持细胞在悬浮状态下的存活，而这一新系统则自然地实现了高生长率。研究人员注意到，这些细胞维持着特定的代谢类型，即以一种健康、快速分裂的干细胞特有的方式将糖转化为能量。这种代谢活动在整个生长周期内保持稳定，进一步证实了培养物的健康状况。
这项工作标志着向使干细胞疗法更易普及迈出了重要一步。通过证明更简单、更廉价的液体食物可以在不牺牲质量的前提下支持高密度生长，研究人员消除了大规模制造的一个主要障碍。新培养基与响应式喂养策略的结合提供了一条可扩展的路径，使得生产临床应用所需的数十亿个细胞成为可能。研究结果表明，目前与生长此类细胞相关的昂贵成本和复杂性是可以降低的，从而使再生医学的愿景离常规医疗实践更近一步。该研究证实，在保持细胞健康和遗传稳定的同时，在大型漂浮集群中生长这些脆弱的细胞是可行的，这为未来更可靠、更经济的治疗铺平了道路。
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