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有望告别血小板荒!首次实现血小板大规模体外生产

科技资讯  2018年8月4日 09:16  来源:新浪科技
摘要:上个月,一部名叫《工作细胞》的动画传遍朋友圈。里面一群群呆萌的血小板俘获了无数人的心,让不少人迷上了自己的血小板。

  来源:奇点网

  上个月,一部名叫《工作细胞》的动画传遍朋友圈。里面一群群呆萌的血小板俘获了无数人的心,让不少人迷上了自己的血小板。

  血小板的主要功能是止血。因疾病等各种原因导致的血小板数量偏低,都会威胁到生命安全。和《工作细胞》里展现的不同的是,血小板的寿命只有7-14天,体外的血小板保存5天就不能配备了。

  每年的夏冬两季,基本全国很多地方都会出现血小板荒,今年尤甚,具体原因我想大家一定是知道的。

  和献全血不一样,血小板的捐献认知度更低,每次捐献需要的时间也更长。市场的需求正逐年递增。

  科学家和医务人员早就注意到,依靠人类捐献的血小板,肯定是无法满足患者的需求的。所以,人工合成血小板就成了科学家解决问题的方向。

  然而,经过多年的不断尝试,人工生产的血小板始终达不到临床使用的标准。这严重阻碍了人工生产血小板的临床使用。

  最近几天,来自京都大学大学的Koji Eto团队终于解决了这个问题。首次实现了临床应用级别的人工血小板生产。Eto教授更是不无自豪地说,“我们的这个发现是人造血小板走向临床应用的最后一个科学步骤。”

  最近几天,Eto团队的这一重要研究成果发表在顶级期刊《细胞》上[1]。

通讯作者Koji Eto通讯作者Koji Eto

  血小板来自骨髓和肺中的巨核细胞产生的碎片[2],这两个来源是去年年初才正式确定的。

  科学家很早就想到了通过体外培养巨核细胞生产血小板。但是巨核细胞的获取并没有那么容易。人诱导多能干细胞(hiPSCs)技术的成熟,让这个问题迎刃而解。

  这几年来,已经有科学家利用人诱导多能干细胞(hiPSCs),分化出永生化的巨核细胞系(imMKCL),再用这些巨核细胞生产血小板[3-5]。

  但是,现实总是残酷的。正常情况下一次治疗需要2000-3000亿个血小板。可无论研究人员花了多大的心思,他们的血小板生产规模一直达不到临床使用的数量级。

  背后的原因,研究人员百思不得其解。

  直到有一天,Eto团队的研究人员在做实验的时候偶然发现,晃动培养瓶能增加血小板的产量。这似乎暗示水平摇动引起的物理应力增强了血小板的生成。

  观察到这个现象之后,研究人员很快就在一个20L的波动系统中进行了实验。虽然巨核细胞能持续在里面增殖,但血小板产量和质量并没有提高。他们猜测,可能还是流体参数不对。

  实际上,早在2007年,就有研究表明,小鼠骨髓中的巨核细胞受到的血流剪切应力,对血小板的生成非常重要[6]。

  于是,基于之前的探索性成果,他们尝试在生物反应器中重现巨核细胞在骨髓中承受的血流剪切应力。遗憾的是,他们改进的反应器生产水平仍旧非常低。每个巨核细胞只能生产14个血小板。而在体内,一个巨核细胞产生血小板的量在500-1000个左右。

  如此看来,单独的剪切应力似乎并不是决定性因素啊。他们认为,一定漏掉了什么东西。

使用双光子活体成像观察血小板的脱落过程使用双光子活体成像观察血小板的脱落过程

  于是,他们决定在回到体内一探究竟。

  研究人员首先给小鼠骨髓中的巨核细胞做了绿色荧光标记,然后用双光子显微镜和粒子成像速度场仪(PIV)观察了小鼠颅骨骨髓中的血小板生成过程。结果发现那些大量产生血小板的巨核细胞处于湍流之中,而处于静息状态,不产生血小板的巨核细胞周围则是层流。

  血小板竟然是被湍流乱棒“打”下来的!

在湍流中血小板从巨核细胞上脱落 图中绿色的是血小板和巨核细胞,红色是血流,蓝色是细胞核在湍流中血小板从巨核细胞上脱落 图中绿色的是血小板和巨核细胞,红色是血流,蓝色是细胞核

  湍流和层流是流体流动的两种状态。当流速很小时,流体分层流动,互不混合,称为层流。随着流速的增加,流体的分层结构被破坏,不同流层间相互混合,称为湍流。Koji Eto说:“已经有很多人在生物反应器上下功夫了,但他们都是用的层流,没人想到用湍流。”

随着流速变快,水流由层流变成湍流随着流速变快,水流由层流变成湍流

  在回头去看他们之前用到的反应器,确实缺少足够的湍流,而这可能就是血小板脱落的关键。

  发现湍流的重要性之后,研究人员又开始寻找新的反应器。通过各种模拟测试之后,他们发现一种叫做VerMES的垂直往复运动式液体培养生物反应器似乎能行。

  在2.4升的反应器里,当VerMES的叶片以300毫米/秒的速度做上下往复运动时,每个巨核细胞能产生70-80个血小板,产量比原来提高5倍。而且,这种条件下产生的血小板质量也特别好。

  进一步分析显示,VerMES生物反应器不但能形成剪切应力,还能产生足够水平的湍流和涡流。

VerMES生物反应器VerMES生物反应器

  有了这个初步的成功,研究人员就要计算出背后的模式了。于是他们又做了一个0.3升的反应器,探索出了这个体积的反应器,叶片的最适运动参数。

  有了这两组数据,研究人员很快就摸索出在8升的生物反应器中叶片的运动距离和速度。最终他们发现,叶片的上下运动范围是40毫米,叶片的运动速度是150毫米/秒。在这样的参数条件下,Eto团队成功在8升的生物反应器中生产了1000亿个血小板。

  终于达到了临床使用的规模。

  当然,仅生产出来血小板是不够的,还得看看血小板的功能怎么样。接下来研究人员又比较了生产的血小板和志愿者捐献的血小板的功能。

电镜下iPSC生产的血小板电镜下iPSC生产的血小板

  研究人员首先在电镜下观察了两种血小板,imMKCL产生的血小板比捐献的要大,而且大小更不均匀,但也有完整的血小板结构以及α颗粒(血小板中的可分泌蛋白储存在α颗粒中)。体外的血小板聚集实验中,两者的表现也相似。

  为了进一步确认生产的血小板在体内的功能,研究人员又在两个动物模型中进行了实验。

  研究人员首先用2.4Gy的电离辐射照射小鼠,以抑制它的造血功能。在照射后第9天,也就是自身血小板最低的时候,研究人员给小鼠分别输入了生产的血小板和志愿者捐献的血小板, 比较了血小板的动力学和出血时间,两者都是相似的。

  两种血小板都能在血管内形成血栓

  然后,研究人员又在能更好评价血小板止血能力的兔模型中进行了实验。研究人员先用白消安抑制动物自身的血小板生成,在2周后注射棕榈酸乙酯以抑制网状内皮系统,避免输入的血小板被破坏。之后输入两种血小板,并切开耳缘静脉,比较出血时间。两种血小板显示出的止血能力还是相似的。

  有了以上的数据和表现,Eto认为,“我相信,我们的这个发现是人造血小板走向临床应用的最后一个科学步骤。”[7]

  目前,Eto团队正在通过设计自动化生产方案,进一步扩大生产规模,以期进一步提高产量、降低成本。

  此外,他们还顺手解决了配型的问题。他们开发了一种通用血小板,这种血小板表面没有人类白细胞抗原,输入人体不会产生免疫排斥反应。尽可能的扩大人工生产血小板的适用人群。

  据Eto估计,在未来的1-2年,他们将开展临床研究。或许在2020年之后,血小板荒有望解除。

  参考信息:

  [1]。 Ito Y, Nakamura S, Sugimoto N, et al。 Turbulence Activates Platelet Biogenesis to Enable Clinical Scale Ex Vivo Production[J]。 Cell, 2018。

  [2]。 Lefranais E, Ortiz-Muoz G, Caudrillier A, et al。 The lung is a site of platelet biogenesis and a reservoir for haematopoietic progenitors[J]。 Nature, 2017, 544(7648): 105。

  [3]。 Sim X, Poncz M, Gadue P, et al。 Understanding platelet generation from megakaryocytes: implications for in vitro–derived platelets[J]。 Blood, 2016, 127(10): 1227-1233。

  [4]。 Moreau T, Evans A L, Vasquez L, et al。 Large-scale production of megakaryocytes from human pluripotent stem cells by chemically defined forward programming[J]。 Nature Communications, 2016: 11208-11208。

  [5]。 Nakamura S, Takayama N, Hirata S, et al。 Expandable Megakaryocyte Cell Lines Enable Clinically Applicable Generation of Platelets from Human Induced Pluripotent Stem Cells[J]。 Cell Stem Cell, 2014, 14(4): 535-548。

  [6]。 Junt T, Schulze H, Chen Z, et al。 Dynamic Visualization of Thrombopoiesis Within Bone Marrow[J]。 Science, 2007, 317(5845): 1767-1770。

  [7]。https://www.sciencedaily.com/releases/2018/07/180712114600.htm

  本文作者  |  孔劭凡 & BioTalker