如何看待生物材料辅助的大规模细胞制造？

正文   实现细胞扩增体系的自动化、实时监控，以及细胞微环境的稳定调控是干细胞制备领域的发展趋势。  

撰文：小明月

来源：干细胞者说

细胞治疗，为多种难治性疾病提供了有效治疗途径。目前，全球细胞治疗市场正在法规的监管下飞速成长。一般认为，常用于成年人移植的细胞，单次剂量是10*8~10*9个。如果要想获得如此数量的细胞，就需要高效的体外细胞大规模扩增平台。此外，扩增后的细胞还需要满足生物学功能、纯度、活性、安全性和稳定性等多方面的严格要求，这对于细胞制造行业提出了巨大的挑战。

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生物材料辅助大规模细胞制造

生物材料，可为细胞提供仿生微环境并支持特定的细胞行为（如归巢、定向分化等）。基质材料的理化特征（如材料成分、化学键、刚度、形状和形貌）能刺激细胞对从分子到组织水平的生物学响应。因此，生物材料有望为解决细胞治疗领域的诸多问题提供有力的技术手段。生物材料应用于细胞规模化制备的各个环节。从上游的细胞分离纯化、基因修饰，再到中游的规模化体外扩增、收获，最后再到下游的冻存、储存、运输，生物材料在细胞制造各个环节中所起到了多方面的关键作用，成为不可忽视的技术基石。实现细胞扩增体系的自动化、实时监控，以及细胞微环境的稳定调控是该领域的发展趋势。  

生物材料辅助的临床级细胞规模化制造

主要思路如下：  

• 首先要获得患者细胞。

• 分离和纯化（磁珠分选靶细胞），可进行基因修饰（非病毒载体传递系统）

• 大规模细胞扩增（基于生物材料的生物反应器和3D培养体系）

• 细胞收获（基于温敏，电敏，光敏的生物材料）

• 低温存储和运输（基于生物材料造就的合适微环境存储活细胞）。

细胞的纯化，常常通过离心、选择性吸附等方式实现：通过将抗原标记的细胞与多糖珠、免疫磁珠等生物材料介质结合，再分离和纯化目标细胞（通过荧光激活分选、免疫磁珠分离等途径）。在规模化扩增之前，通过基因编辑技术可以获得特定的细胞功能，达到预期的治疗目的。Chitosan、PDMAEMA、PLL、PLGA等生物材料可以被用作非病毒载体的递送系统，提高载体递送效率。为了获得足够的细胞产品，高效、严格质控的规模化细胞扩增技术至关重要。大规模扩增系统可以被分为两大类：静态培养系统和动态培养系统 （即生物反应器）。在生物反应器系统中，生物材料形成的半透膜可以促进溶解氧、养分和代谢产物的扩散，创造适宜细胞的体外培养环境。此外，微载体和3D培养基质也被用来进行大规模扩增细胞的研究。  

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GMP标准下的生物材料辅助

在规模化培养之后，能够收获大量具有治疗功能的临床级细胞才是有意义的。无论是基于温敏材料、电敏材料还是光敏材料的制备体系都可以被用来无损收获细胞。作为临床使用的细胞产品，在无损收获之后需要经过冻存、储存及运输。为了确保产品的安全性和疗效，这些过程都需要在严格满足GMP的标准下进行。  

用于无损收获细胞的温敏材料生物材料可以通过提供生物化学信号（多肽和因子、药物和基因、表面涂层、细胞共培养）或生物物理信号（纳米特征、微观结构、机械性能）来影响细胞的增殖、分化、迁移等行为。在仿生的环境和适当诱导因子的作用下，细胞可以进行增殖、维持原有功能，并且减少不必要的分化。最后，以造血干细胞（Hematopoietic stem cells，HSC）为例，讲述如何利用生物材料技术辅助造血干细胞大规模制造。  

基于生物材料优化的微环境可改善增殖中的细胞功能造血干细胞在治疗血液系统恶性肿瘤和自身免疫性疾病方面具有广泛的临床应用，由于临床的巨大需求，造血干细胞的大规模扩增研究备受关注。目前，生物材料已经参与到造血干细胞大规模生产的各个环节。此外，用于优化造血干细胞培养条件的计算机辅助技术也处在快速发展之中。   

3   研究意义   生物材料可以为细胞大规模制备提供支持，通过特殊的化学修饰和物理结构调控细胞的功能，细胞制造的全流程已经在生物材料的辅助下得到了快速发展。作为一种特殊的生物活性产品，政府、学术界和工业界等领域共同讨论和制定细胞产品的专业标准至关重要。 新生物材料的开发和生产应当严格遵循GMP标准，并建立可靠的评价体系评价和检测生物材料对细胞产品质量、安全性和功效的影响。生物材料的引入无疑将改善细胞产品，并将加速相关的研究和产品开发。   

参考文献    

Chen R, Li L, Feng L, Luo Y, Xu M, Leong KW, Yao R. Biomaterial-assisted scalable cell production for cell therapy. Biomaterials 2019,119627.