干细胞扩增及肝向分化过程中相关指标及其检测方法

背景:干细胞在组织工程学、再生医学、细胞治疗以及药物研究方面具有巨大的应用前景。近年来,以生物人工肝为例的应用研究需要大规模扩增出高质量的干细胞并最终定向分化为肝(样)细胞。如何通过此途径高效获得一致性、功能性完好并且标志物均匀表达的分化细胞,是需要解决的关键问题。目的:对干细胞扩增及肝向分化过程相关检测指标与检测方法进行综述,总结已应用于在线检测的指标与方法,讨论部分指标与方法应用于在线检测的局限性,并对未来有望应用于在线检测的指标和检测技术进行展望。方法:由第一作者检索1990至2019年PubMed数据库、Web of Science核心合集、Elsevier数据库、中国知网等收录的与干细胞扩增及肝向分化过程相关的文献。英文检索词为“stem cells,expansion,hepatic differentiation,monitoring,real-time online”,中文检索词为“干细胞,扩增,肝向分化,监测,实时在线”,共计检索93篇文章,最终筛选了符合标准的53篇进行综述。结果与结论:干细胞扩增及肝向分化过程的相关检测指标与检测方法众多,其中扩增过程的检测指标主要涉及干细胞多能性的保持、代谢活性、存活率以及转癌趋势。肝向分化过程因细胞种类而异,其中多能干细胞和中胚层谱系成体多能干细胞要先向内胚层定向分化,再分化为成熟肝(样)细胞,而以肝干/祖细胞为主的内胚层谱系成体多能干细胞可直接分化为成熟肝(样)细胞。分化过程不同阶段细胞的特异性标志物、存活率以及代谢活性是检测的重点。目前,基于大型生化检测分析设备的检测方法虽然可靠性高,但面临实时性差、成本高、难以集成小型化等问题。未来,干细胞扩增及肝向分化过程中关键检测指标的筛选、检测标准的量化以及自动化在线检测的实现,需要重点研究。

体外3D规模化扩增肝细胞的培养体系及自动化、智能化生物反应器的评估

背景:如何在体外获得足够数量和质量的肝细胞,是生物人工肝临床应用亟待解决的核心问题。目的:对肝细胞体外3D规模化扩增培养体系的主要研究内容进行综述,总结了当前主要的肝种子细胞来源、3D培养方法、生物反应器系统以及培养过程关键指标实时在线监测的进展和局限,并对自动化、智能化生物反应器系统进一步发展进行展望。方法:由第一作者检索Web of Science核心数据库、ScienceDirect、EI、PubMed以及中国知网数据库,英文检索词为:"hepatocyte,3D culture,proliferate,bioreactorsystem,monitor andcontrol",中文检索词为:"肝细胞、3D培养、增殖、生物反应器系统、监测和控制"。文献检索时间范围为2005年1月至2021年3月,文献的类型包括研究原著、综述和荟萃分析,最终筛选出93篇文献进行综述。结果与结论:(1)目前肝种子细胞来源、3D培养方式、生物反应器系统构建以及关键生化指标实时在线监测方法等方面的研究均取得了一定进展,为进一步构建肝细胞体外3D规模化培养体系奠定了坚实的基础。(2)人肝癌细胞系、永生化肝细胞、干细胞分化及其他来源的肝细胞均能在体外培养增殖并进行肝功能表达,其中干细胞分化和直接重编程得到的肝细胞样细胞具有成熟肝脏细胞类似的细胞形态、功能和基因表达谱特征,在未来有更大的应用前景。(3)3D悬浮培养在培养密度、传质效率方面表现优异,且具有易于放大、接种和取用方便等优点,是肝细胞体外3D培养方式的主要发展方向。(4)现有的生物反应器系统虽然能实现肝细胞体外培养扩增,但自动化程度低,且缺乏对关键生化指标进行实时在线检测方法;此外,当前这几方面的研究相互融合程度低,也制约了肝细胞体外3D规模化培养体系的进展。(5)未来的研究重点是结合不同来源的肝种子细胞的生长特性,选择适合培养方式,以建立培养过程中的关键参数实时在线监测方法,从而构建高度自动化和智能化生物反应器系统,最终实现肝细胞体外规模化制备。