Nature子刊造血干細胞在三維兩性離子水凝膠環境的擴增

　　基于造血干細胞體外擴增和基因修飾的治療技術在臨床上的應用潛力巨大，如何解決干細胞離體后的分化并最大程度的保持其再生能力是制約這一技術發展的最大挑戰。臍帶血是造血干細胞的主要來源，但稀少的數目制約了它的進一步臨床應用，科學家們在近年研發出各種臨床相關的造血干細胞體外擴增辦法：包括Notch-1 配體體外擴增法 （Nohla Therapeutics公司）以及SR1和UM家族等小分子添加物體外擴增法 (Magenta Therapeutics公司 和 ExcellThera公司) 。盡管這些方法在在干細胞數量上都獲得了有效擴增，但擴增過程中都伴隨著極其明顯地分化，再生能力和原代干細胞相比會顯著下降。突出的表現是具有長期移植能力的造血干細胞經體外擴增后喪失了在體內長期植入的能力。這一弊端極大地限制了干細胞領域的科學發現和臨床應用。

　　2019年10月7日，美國華盛頓大學的Shaoyi Jiang教授團隊和Fred Hutchinson腫瘤研究中心的Colleen Delaney教授團隊（第一作者為白濤和李建強博士）在Nature Medicine雜志上發表了文章Expansion of primitive human hematopoietic stem cells by culture in a zwitterionic hydrogel，創造性地發明了一種兩性離子材料構成的三維水凝膠包裹造血干細胞的體外擴增方法，既能實現長期穩定大量的體外擴增，又能保持原代造血干細胞的再生能力，尤其是對具有長期移植功能的造血干細胞的擴增潛能，對干細胞及基因治療領域的進一步發展具有突破性意義。

　　研究人員設計開發了一種兩性離子材料構成的三維水凝膠造血干細胞培養方式。此類兩性離子新型生物材料能極大的模擬出造血干細胞在骨髓中的生長環境。此類兩性離子水凝膠具有跟骨髓基質類似的機械強度，超高的親水性（不同于細胞培養皿的超疏水性），超高的生物相容性以及三維培養所特有的超高細胞培養密度。在體外長達24天的培養過程中，對具有長期移植功能的造血干細胞進行了高達73倍的擴增并未發現明顯的細胞分化。使用該方法擴增的造血干細胞，在老鼠體內可長期移植并且可以成功進行二次移植。尤其重要的是，此種造血干細胞體外擴增的辦法對臍帶血造血干細胞和成人骨髓中獲取的造血干細胞具有類似的體外擴增效應。

a-c, 雙離子水凝膠合成示意圖；d, CD34+CD45RA-的原始造血干細胞在不同培養體系中所占的比例；e, 水凝膠設計和實驗流程圖；f-g, NSG免疫缺陷鼠接種不同培養體系的造血干細胞后，骨髓中植入能力的比較。

　　在該技術研發過程中，李建強博士及其合作者對該擴增平臺的基礎原理也產生了極大的興趣。為了搞清楚兩性離子水凝膠對造血干細胞體外無規則分化的抑制原理，就要先搞清楚為什么能在體內長期自我更新長達幾十年的造血干細胞在體外培養的幾天內就會顯著分化并喪失長期移植能力。在經過一段時間研究后，李建強博士團隊發現超疏水性的塑料細胞培養皿是“罪魁禍首”。在實驗室細胞培養過程中，聚苯乙烯制成的塑料細胞培養皿由于大量的工業化生產得到了廣泛應用。但是在自然界中，沒有一種生物體內會存在哪怕一點的塑料！這是因為塑料的高疏水性會造成極其嚴重的蛋白非特異性吸附，而這種非特異性吸附會造成一連串的負面生物反應，統稱排異反應。例如注射到血液中的疏水納米粒子會在極短時間內造成血液蛋白的聚集包裹并誘導有機體產生相應抗體。再比如移植到體內的疏水生物器械會在短時間內被膠原纖維囊包裹并與身體其他部分隔離開。在對細胞的體外培養中，同樣的問題再一次到來。

　　在本篇工作的研究過程中，李建強博士及其合作者發現在體外細胞培養皿的疏水培養過程中，造血干細胞內會在極短時間內產生大量活性氧類 （ROS）。此類物質是生物有氧代謝過程中的一種副產品，包括氧離子、過氧化物和含氧自由基等。這類氧化物與細胞內所有重要功能相關蛋白質進行非特異性氧化。而造血干細胞在對p16, p38,mTOR和β-catenin等一系列信號相關蛋白遭受氧化的一個直接后果就是細胞分化和衰老死亡。而與目前疏水塑料培養皿構成顯著差別的就是兩性離子材料的超親水性。該材料單元同時負載正電荷和負電荷，具有和細胞膜主要結構物質卵磷脂相似的化學結構，對外體現電中性以及強烈的吸水性和親水性，對蛋白的非特異性吸附和激活有極其顯著的抑制作用。在本篇工作中，李建強博士及其合作者發現在此類材料內生長的造血干細胞內，活性氧類物質的產出被得到了極大的抑制。既然干細胞分化衰老的源頭得到了顯著抑制，那么造血干細胞的體外分化得到抑制也就不足為奇了！

　　此類對具有長期移植能力的造血干細胞進行體外擴增的技術目前在世界范圍內尙屬首次報道。可以預見此類技術的工業轉化能夠極大的促進造血干細胞相關的實驗室研究和臨床轉化。此技術與基因治療的相結合會創造出無數的想象空間。為盡快促進該研究成果在干細胞及基因治療領域的臨床轉化，李建強博士積極回國創業，創建了河北森朗生物科技有限公司，目前該公司已經形成100多人的科研團隊，在干細胞及CAR-T細胞治療領域成果卓越。

　　原文鏈接：

　　https://doi.org/10.1038/s41591-019-0601-5