单细胞3D成球培养优化间充质干细胞新方法

来源：中科院再生医学

间充质干细胞(mesenchymal stem cells, MSCs)源于发育早期的中胚层，因其来源广泛、具有多向分化潜能、低免疫原性和自我更新能力，在组织工程和再生医学应用中显示出巨大的应用潜力。然而，间充质干细胞的临床应用面临许多挑战，比如治疗所需细胞数量巨大，细胞质量存在异质性，细胞体内移植后存活率低，以及二维（2D）培养导致间充质干细胞特征衰减等。

由于三维（3D）培养可以更好地模拟体内微环境，所以被广泛用于优化临床用间充质干细胞。大量的研究证明，3D培养增强了间充质干细胞的细胞存活和因子分泌能力，促进了干细胞特征维持、迁移和血管生成，在临床医学领域具有广阔的应用前景。但传统的依靠多细胞聚集的3D培养方法有很多的缺陷，限制了其应用，比如质量异质性较大多细胞混合导致良莠不齐，细胞球内外的代谢差异较大增加了细胞的异质性，球内细胞易发生失巢凋亡，细胞球的尺寸较大不能直接注射，而酶解又会伤害细胞等。

中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所的索广力的干细胞组织工程团队与遗传发育所戴建武再生医学研究团队合作，设计开发一种可大量生产单细胞来源细胞球（single cell derived sphere, SCDS）的方法。用单细胞芯片将单细胞2D阵列并进行 3D 培养，建立了单细胞成球（SCDS）生产体系，利用干细胞自我更新（单细胞的增殖）能力来筛选和驯化间充质干细胞，以达到优化间充质干细胞的目的。

通过对 2D、SCDS 和多细胞来源细胞球（multiple cell derived spheroid, MCDS）培养的脐带间充质干细胞（UCMSCs）的各种细胞生物学特征进行比较，发现SCDS培养的UCMSCS可以较好地维持细胞的干性和间充质特征，增强细胞存活能力和抗衰老能力，促使细胞迁移和体内归巢，促进体内血管生成和急性肝损伤的修复。

研究结果证明，相较于2D和传统的MCDS细胞培养，SCDS 培养对于优化间充质干细胞有如下优势：

1）SCDS培养是以干细胞自我更新能力为标准和理论依据，干细胞的自我更新能力表现为单个细胞的增殖能力，单细胞芯片2D细胞阵列结合 3D 细胞培养既是对细胞自我更新能力的筛选，也是对细胞自我更新能力的驯化和恢复；

2）通过筛选和驯化，使SCDS 培养的细胞在活力和生物学特性方面被均一化；

3）SCDS 的尺寸较小，通常在50 微米以下，可以不通过酶解，直接用于机体注射；

4）与MCDS相比，SCDS中的单细胞具有较好的均一性，所处的微环境较为一致；

5）与 2D 培养的细胞相比，SCDS 球体表面有基质保护，使细胞更易于抵抗不利生存环境，如酸、碱、酶解、缺氧和缺营养等；

6）SCDS 更易进入G0 期并促进AMPK的激活，利于细胞保持干细胞特性和抵抗不利生存环境；

7）与 2D 培养细胞相比，SCDS 的离散度更高，利于细胞在机体内运输和分布；

8）由一个细胞来源的几个细胞有机地相互作用，有利于形成功能单位并较快行使功能；

9）SCDS 在不良生存环境中的耐受性可能更好地应用于3D 生物打印和类器官构建研究。

该成果近日发表于Biomaterials杂志，其意义是利用干细胞自我更新的理念，运用细胞芯片将细胞2D阵列，并结合3D细胞培养，开发了一种单细胞成球3D培养新技术，以便为临床应用和基础研究提供高质量、均一化的间充质干细胞。