CN113151151B - 一种iPSC来源肝细胞的仿生微球大规模培养的方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种iPSC来源肝细胞的仿生微球大规模培养的方法，利用微流控技术制备GelMA细胞微载体，在其表面包裹Bcl‑2重组蛋白以增强特异性抗凋亡活性，在镜下观察其形态，将包裹Bcl‑2重组蛋白的GelMA细胞微载体与iPSC来源肝细胞相结合，根据不同直径细胞微载体的细胞粘附情况筛选最优尺寸，大规模培养后经光镜、透射电镜观察细胞三维结构，检测细胞微载体上iPSC来源肝细胞活性及功能表达。本发明为一种能够满足临床用细胞数量、细胞活性高、生物相容性好、高效的基于iPSC来源肝细胞的仿生微载体培养方法。

Description

一种iPSC来源肝细胞的仿生微球大规模培养的方法及应用
技术领域
本发明涉及生物医学工程技术领域，具体涉及一种iPSC来源肝细胞的仿生微球大规模培养的方法及应用。
背景技术
终末期肝病导致的肝功能衰竭治疗手段有限，单纯肝细胞移植或者生物人工肝是比较有前景的治疗手段。肝功能衰竭病人的肝支持作用完全依赖于所用肝细胞的特异性生物学功能。目前认为，要达到理想支持效果至少需要1010以上数量级的细胞，而在保障细胞活性的条件下，肝细胞数量越多，其支持及治疗效果将越佳，因此，肝细胞体外大规模培养技术己成为生物人工肝技术发展的核心技术。
人肝细胞是理想的肝细胞源，但是存在着伦理风险；肝脏肿瘤细胞系代谢功能较低，且有致瘤可能；干细胞是理想的新兴细胞源，但是分化不稳定；因此选择合适的、功能强大、低风险的功能肝细胞系也是目前研究的热点与难点。
虽然肝细胞体外大规模培养技术已取得了许多重大的进展，如共培养、生物材料包裹等，微载体的出现为肝细胞的大规模培养提供了新的思路，但微载体存在着大小规模不等、电荷性质不稳定、细胞黏附差，并且肝细胞结合微载体在体外大规模培养过程中仍容易受到氧气营养物质供应不足、代谢产物蓄积等各种因素的损伤，从而导致肝细胞的活性及功能下降，最终因为细胞凋亡影响治疗效果；并且如何把细胞从其已经生长的微载体转到新的没有细胞生产的微载体进行细胞放大，也是需要解决的问题。
因此，建立功能肝细胞结合微载体的大规模培养是临床目前面临的难题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服上述缺陷，设计、研制出一种能够满足临床用细胞数量、细胞活性高、生物相容性好、高效的基于iPSC来源肝细胞的仿生微载体培养方法及应用。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
一种iPSC来源肝细胞的仿生微球大规模培养的方法，利用微流控技术制备GelMA细胞微载体，在其表面包裹Bcl-2重组蛋白以增强特异性抗凋亡活性，在镜下观察其形态，将包裹Bcl-2重组蛋白的GelMA细胞微载体与iPSC来源肝细胞相结合，根据不同直径细胞微载体的细胞粘附情况筛选最优尺寸，大规模培养后经光镜、透射电镜观察细胞三维结构，检测细胞微载体上iPSC来源肝细胞活性及功能表达。
进一步的，采用圆柱形微载体大规模培养瓶进行细胞结合微载体培养，置于摇床上，采用旋转跷跷板式培养，摇速11rpm，角度4度，使得细胞与微载体在底层充分接触。
进一步的，所述的圆柱形微载体大规模培养瓶顶部具有微载体注入口，微载体注入口连接微载体注入管，圆柱形微载体大规模培养瓶的内部分为上、下两部分培养层，上培养层的具有中心旋转柱，所述中心旋转柱下端连接转盘，所述转盘上具有开口，转盘置于具有对应开口的隔层上，将转盘开口与隔层开口对齐时开口打开，连通上培养层和下培养层，构成旋转打开装置。
进一步的，所述的微载体注入管与中心旋转柱为一体连接结构，上部通过圆柱形微载体大规模培养瓶上的微载体注入口伸出培养瓶瓶体，下部安装在上培养层底部的的转盘中心。
进一步的，在下培养层在培养瓶壁上设有进液口、出液口和取样口；所述进液口处设有0.22um的斜角滤过膜，用于滤过杂质。
所述的圆柱形微载体大规模培养瓶底部为硅橡胶薄膜气体交换膜，有利于细胞与外界的气体交换。
将单纯的需要扩增的微载体置于上培养层，随着摇动而均匀分布，并且采用旋转打开装置，旋转中心柱使得单纯微载体均匀落下。
所述圆柱形微载体大规模培养瓶顶部的微载体注入管用于补入单纯微载体。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明采用GelMA作为微载体材料，模拟细胞外基质成分，克服了微载体电荷不稳定的性质，且与细胞生物相容性好；采用微流控制备微载体，克服一般微载体大小差异、规模不等的缺点，细胞能够均匀粘附，最大空间分布；采用Bcl-2重组蛋白包裹微载体，使增强黏附细胞的抗凋亡水平，防止细胞坏死脱落，增强细胞黏附水平。
通过圆柱形微载体大规模培养瓶进行细胞结合微载体培养，采用旋转跷跷板式培养，使得细胞与微载体在底层充分接触；斜角滤过膜可以滤过杂质，而且是细胞免受剪切力的损伤；培养基从底部进液口缓慢补充，自下而上与微载体的细胞充分接触，保持营养物质的渗透；底部出液口的设计在倾斜时使废弃的培养基完全滤出，避免代谢产物堆积以及液体浪费；培养瓶底部为硅橡胶薄膜的气体交换膜，有利于细胞与外界的气体交换。
通过大规模培养瓶进行细胞扩增，出液口将消化液全部排除，避免了进液口加入培养基中和消化液的浪费；通过分层结构，将单纯的需要扩增的微载体置于上层，随着摇动而均匀分布，并且采用旋转打开装置，旋转中心柱使得单纯微载体均匀落下，避免了球转球时细胞黏附的不均匀，并且实现了细胞均匀放大的优势。通过不断补入单纯微载体，可确保1010个细胞生长粘附，满足临床用数量级。
附图说明
图1：基于微流控的Bcl-2-GelMA微载体的制备图。
图2：圆柱形微载体大规模培养瓶整体图。
图3：圆柱形微载体大规模培养瓶结构示意图。
图4：圆柱形微载体大规模培养瓶局部放大图。
图5：通过光镜观察大规模培养后细胞结合微载体。
图6：通过扫描电镜观察大规模培养后细胞结合微载体。
图7：荧光显微镜下观察染色细胞。
图中：1-圆柱形微载体大规模培养瓶，2-摇床，3-微载体注入口，4-微载体注入管，5-上培养层，6-中心旋转柱，7-转盘，8-开口，9-旋转打开装置，10-进液口，11-出液口，12-取样口，13-斜角滤过膜，14-硅橡胶薄膜气体交换膜，15-下培养层。
实施方式
以下通过实施例形式对本发明的上述内容再作实施例中详细说明，但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。
下述实施例中所使用的实验方法，如无特殊说明均为常规方法，所用的试剂、方法和设备，如无特殊说明均为本技术领域常规试剂、方法和设备。
一种iPSC来源肝细胞的仿生微球大规模培养的方法，利用微流控技术制备GelMA细胞微载体，在其表面包裹Bcl-2重组蛋白以增强特异性抗凋亡活性，在镜下观察其形态，将包裹Bcl-2重组蛋白的GelMA细胞微载体与iPSC来源肝细胞相结合，根据不同直径细胞微载体的细胞粘附情况筛选最优尺寸，大规模培养后经光镜、透射电镜观察细胞三维结构，检测细胞微载体上iPSC来源肝细胞活性及功能表达。
实施例中，采用圆柱形微载体大规模培养瓶1进行细胞结合微载体培养，置于摇床2上，采用旋转跷跷板式培养，摇速11rpm，角度4度，使得细胞与微载体在底层充分接触。
实施例中，所述的圆柱形微载体大规模培养瓶顶部具有微载体注入口3，微载体注入口3连接微载体注入管4，圆柱形微载体大规模培养瓶的内部分为上、下两部分培养层，上培养层5的具有中心旋转柱6，所述中心旋转柱6下端连接转盘7，所述转盘7上具有开口8，转盘置于具有对应开口的隔层上，将转盘开口与隔层开口对齐时开口打开，连通上培养层5和下培养层15，构成旋转打开装置9。
实施例中，所述的微载体注入管与中心旋转柱为一体连接结构，上部通过圆柱形微载体大规模培养瓶上的微载体注入口伸出培养瓶瓶体，下部安装在上培养层底部的的转盘中心。
实施例中，在下培养层在培养瓶壁上设有进液口10、出液口11和取样口12；所述进液口10处设有0.22um的斜角滤过膜13，用于滤过杂质。
所述的圆柱形微载体大规模培养瓶底部为硅橡胶薄膜气体交换膜14，有利于细胞与外界的气体交换。
将单纯的需要扩增的微载体置于上培养层，随着摇动而均匀分布，并且采用旋转打开装置，旋转中心柱使得单纯微载体均匀落下。
所述圆柱形微载体大规模培养瓶顶部的微载体注入管用于补入单纯微载体。
以基于微流控的Bcl-2-GelMA微载体的制备为例：
明胶（Gelatin）和甲基丙烯酸酐（Methacrylic anhydride）购买自sigma Aldrich公司。GeIMA 微球是利用单-乳滴微流控技术制备，分散相是包含15% GelMA凝胶前液（作为光敏引发剂），同时硅油为连续相。制备专用玻璃毛细管并进行同轴装配作为微流控部件。分散相在内层玻璃毛细管孔处被剪切成为分散的液滴（图1a），经过紫外光照射后，GelMA液滴凝固成微球，最后通过乙醇洗去多余硅油得到GelMA微球。将Bcl-2重组白蛋白包裹GelMA微球，构建了大小为180um的微载体（图1b、c）。
圆柱形微载体大规模培养瓶的微载体细胞黏附及细胞放大：
细胞黏附：将要结合的iPSC来源肝细胞与Bcl-2-GelMA微载体悬浮于新鲜的培养基中，置于圆柱形培养瓶的底层，细胞接种密度控制在5*105个细胞/mL，微载体浓度为3mg/mL，旋转跷跷板式培养条件是摇速11rpm,角度4度，根据葡萄糖的代谢情况适时通过进液口补充用新鲜培养液。
细胞放大：通过采样孔观察，在细胞密度达5×106个细胞/mL时，进行细胞放大实验。通过跷跷板倾斜将培养基从倾斜侧的出液口滤除，从进液口补充胰酶（消化液），胰酶用量为每升培养基150mL，进行晃动培养15min后，通过出液口，滤除胰酶，在进液口补充相应体积的培养基进行中和。通过上层旋转打开装置，旋转中心柱将单纯的需要扩增的微载体置于上层，使得单纯微载体均匀落下，此时补充对应倍数的培养基，进行细胞放大培养。
大规模培养后细胞黏附水平和活性的鉴定：
通过采样孔抽取微载体，进行光镜（图5）和电镜（图6）拍照，发现光镜下微载体大小均等，形态为规则球形，细胞均匀黏附于微载体表面；电镜扫描下，细胞呈3D生长状态，并且细胞与细胞之间紧密连接，甚至有伪足生成，可以说明微载体模拟了细胞外基质的成分，促进细胞三维生长。
Calcein-AM 是一种对活细胞进行荧光标记的细胞染色试剂，发绿色荧光(Ex=490nm, Em=515nm)，因此可以用来鉴定大规模细胞结合微载体培养后的活性，Calcein-AM活细胞染料购置于索莱宝公司；DAPI用来染色所有细胞核，发蓝色色荧光(Ex=340nm, Em=488nm)，各取取100μl 染色工作液加入 200μl细胞悬液内，混匀，37°C孵育 15min，荧光显微镜下检测活细胞(黄绿色荧光)和所有细胞（蓝色荧光），可以发现在微载体上的细胞均染绿色和蓝色（图7），显示大规模培养后细胞活性较高。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种iPSC来源肝细胞的仿生微球大规模培养的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤（1）：微载体的制备；
步骤（2）：采用圆柱形微载体大规模培养瓶进行微载体的细胞黏附及微载体的细胞放大；
步骤（1）中，微载体的制备步骤如下：利用单-乳滴微流控制备细胞微载体，所述细胞微载体是GeIMA微球，在其表面包裹Bcl-2重组蛋白以增强特异性抗凋亡活性；GeIMA微球的制备中，分散相是包含15％GelMA凝胶前液，连续相为硅油；制备专用玻璃毛细管并进行同轴装配作为微流控部件，分散相在内层玻璃毛细管孔处被剪切成为分散的液滴；经过紫外光照射后，GelMA液滴凝固成微球，最后通过乙醇洗去多余硅油得到GelMA微球；将Bcl-2重组白蛋白包裹GelMA微球，构建大小为180um的Bcl-2-GelMA微载体；
步骤（2）中，采用的圆柱形微载体大规模培养瓶结构为：圆柱形微载体大规模培养瓶（1）顶部具有微载体注入口（3），微载体注入口连接微载体注入管（4），圆柱形微载体大规模培养瓶（1）的内部分为上培养层（5）、下培养层（15）两部分，上培养层（5）具有中心旋转柱（6），中心旋转柱（6）下端连接转盘（7），所述转盘（7）上具有开口（8），转盘（7）置于具有对应开口的隔层上，将转盘开口与隔层开口对齐时开口打开，连通上培养层（5）和下培养层（15），构成旋转打开装置（9）；下培养层（15）在培养瓶壁上设有进液口（10）、出液口（11）和取样口（12）；
步骤（2）中，微载体的细胞黏附步骤如下：将要结合的iPSC来源肝细胞与Bcl-2-GelMA微载体悬浮于新鲜的培养基中，置于圆柱形培养瓶的下培养层（15），细胞接种密度控制在5×105个细胞/mL，微载体浓度为3mg/mL，采用旋转跷跷板式培养，旋转跷跷板式培养条件是摇速11rpm,角度4度，根据葡萄糖的代谢情况适时通过进液口补充用新鲜培养液；
步骤（2）中，微载体的细胞放大步骤如下：通过采样孔观察，在细胞密度达5×106个细胞/mL时，进行微载体细胞放大实验；通过跷跷板倾斜将培养基从出液口（11）滤除，从进液口（10）补充胰酶，胰酶用量为每升培养基150mL，进行晃动培养15min后，通过出液口（11）滤除胰酶，在进液口（10）补充相应体积的培养基进行中和；通过上层旋转打开装置，旋转中心柱（6）将单纯的需要扩增的Bcl-2-GelMA微载体置于上培养层，使得单纯Bcl-2-GelMA微载体均匀落下，此时补充对应倍数的培养基，进行细胞放大培养。
2.根据权利要求1所述的iPSC来源肝细胞的仿生微球大规模培养的方法，其特征在于：所述的微载体注入管与中心旋转柱为一体连接结构，上部通过圆柱形微载体大规模培养瓶上的微载体注入口伸出培养瓶瓶体，下部安装在上培养层底部的转盘中心。
3.根据权利要求1所述的iPSC来源肝细胞的仿生微球大规模培养的方法，其特征在于：在下培养层的培养瓶壁上设有进液口、出液口和取样口；所述进液口处设有0.22um的斜角滤过膜（13），用于滤过杂质。
4.根据权利要求1所述的iPSC来源肝细胞的仿生微球大规模培养的方法，其特征在于：所述的圆柱形微载体大规模培养瓶底部为硅橡胶薄膜气体交换膜（14），有利于细胞与外界的气体交换。
5.根据权利要求1所述的iPSC来源肝细胞的仿生微球大规模培养的方法，其特征在于：将单纯的需要扩增的Bcl-2-GelMA微载体置于上培养层，随着摇动而均匀分布，并且采用旋转打开装置，旋转中心旋转柱使得单纯Bcl-2-GelMA微载体均匀落下。
6.根据权利要求1所述的iPSC来源肝细胞的仿生微球大规模培养的方法，其特征在于：所述圆柱形微载体大规模培养瓶顶部的微载体注入管用于补入单纯Bcl-2-GelMA微载体。
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