Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Phát triển một chế độ cấp dưỡng mới cho sản xuất quy mô lớn tế bào gốc/khung đệm cuống rốn người
Tóm tắt
Tế bào gốc/khung đệm cuống rốn người (hUC-MSCs) đã thu hút được sự quan tâm nghiên cứu đáng kể trong y học tái sinh và các liệu pháp dựa trên tế bào nhờ vào quy trình tách chiết ít xâm lấn, tính sẵn có dồi dào, tính chất allo-genic, khả năng phát triển gia tăng và tiềm năng phân hóa thành ba dòng tế bào. Tuy nhiên, thách thức trong việc thu hoạch một số lượng đủ hUC-MSCs thông qua văn hóa tĩnh truyền thống cho quá trình ứng dụng phía hạ nguồn cản trở việc chuyển giao lâm sàng của hUC-MSCs. Do đó, một phương pháp văn hóa thay thế có thể thúc đẩy mở rộng quy mô lớn là rất mong muốn. Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã phát triển một hệ thống văn hóa động dựa trên viêc mang vi sinh vật để nuôi cấy hUC-MSCs kết hợp chế độ cung cấp theo đợt với việc làm mới môi trường để giảm nồng độ chất thải chuyển hóa, cải thiện bổ sung dinh dưỡng và giảm lượng môi trường được sử dụng cho nuôi cấy tế bào. Thay vì làm mới môi trường dựa trên tần suất đã xác định trước, việc thay thế và cấp dưỡng môi trường bằng chế độ cấp dưỡng mới được thực hiện dựa trên việc tiêu thụ các chất dinh dưỡng (glucose và glutamine) và sản xuất chất thải chuyển hóa (lactate và amoniac) để duy trì một môi trường văn hóa cân bằng và thuận lợi. Quy trình tối ưu cho phép tăng số lượng tế bào lên hơn 20 lần với mật độ tế bào tối đa đạt được là (24,13 ± 0,59) × 105 tế bào/mL. Thêm vào đó, không có sự thay đổi đáng kể nào về các dấu hiệu bề mặt tế bào của hUC-MSCs từ các điều kiện động so với các điều kiện tĩnh. Đặc biệt, hơn 99,8% dân số tế bào cho thấy biểu hiện dương tính mong muốn của CD73, CD90 và CD105, trong khi ít hơn 0,2% dân số cho thấy biểu hiện âm tính không mong muốn của CD34, CD45 và HLA-DR. Quan trọng hơn, hUC-MSCs được chiết xuất từ điều kiện văn hóa động của chúng tôi vẫn duy trì khả năng phân hóa thành ba dòng tế bào của chúng.
Từ khóa
#tế bào gốc #cuống rốn #dinh dưỡng #văn hóa tế bào #y học tái sinhTài liệu tham khảo
Abbaszadeh H, Ghorbani F, Derakhshani M, Movassaghpour AA, Yousefi M, Talebi M, Shamsasenjan K (2020) Regenerative potential of Wharton’s jelly-derived mesenchymal stem cells: a new horizon of stem cell therapy. J Cell Physiol 235:9230–9240. https://doi.org/10.1002/jcp.29810
Aldrich ED, Cui X, Murphy CA, Lim KS, Hooper GJ, McIlwraith CW, Woodfield TBF (2021) Allogeneic mesenchymal stromal cells for cartilage regeneration: a review of in vitro evaluation, clinical experience, and translational opportunities. Stem Cells Transl Med 10:1500–1515. https://doi.org/10.1002/sctm.20-0552
Chen AK, Chew YK, Tan HY, Reuveny S, Weng Oh SK (2015) Increasing efficiency of human mesenchymal stromal cell culture by optimization of microcarrier concentration and design of medium feed. Cytotherapy 17:163–173. https://doi.org/10.1016/j.jcyt.2014.08.011
Chui CY, Odeleye A, Nguyen L, Kasoju N, Soliman E, Ye H (2019) Electrosprayed genipin cross-linked alginate-chitosan microcarriers for ex vivo expansion of mesenchymal stem cells. J Biomed Mater Res A 107:122–133. https://doi.org/10.1002/jbm.a.36539
Collignon M-L, Delafosse A, Calvo S, Martin C, Marc A, Toye D, Olmos E (2016) Large-eddy simulations of microcarrier exposure to potentially damaging eddies inside mini-bioreactors. Biochem Eng J 108:30–43. https://doi.org/10.1016/j.bej.2015.10.020
Couto PS, Bersenev A, Rafiq QA (2020) Process development and manufacturing approaches for mesenchymal stem cell therapies. Engineering strategies for regenerative medicine. Elsevier, Amsterdam, pp 33–71. https://doi.org/10.1016/b978-0-12-816221-7.00002-1
Cunha B, Peixoto C, Silva MM, Carrondo MJT, Serra M, Alves PM (2015) Filtration methodologies for the clarification and concentration of human mesenchymal stem cells. J Membr Sci 478:117–129. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2014.12.041
de Almeida Fuzeta M et al (2020) Scalable production of human mesenchymal stromal cell-derived extracellular vesicles under serum-/xeno-free conditions in a microcarrier-based bioreactor culture system. Front Cell Dev Biol. https://doi.org/10.3389/fcell.2020.553444
de Soure AM, Fernandes-Platzgummer A, da Silva CL, Cabral JM (2016) Scalable microcarrier-based manufacturing of mesenchymal stem/stromal cells. J Biotechnol 236:88–109. https://doi.org/10.1016/j.jbiotec.2016.08.007
de Soure AM et al (2017) Integrated culture platform based on a human platelet lysate supplement for the isolation and scalable manufacturing of umbilical cord matrix-derived mesenchymal stem/stromal cells. J Tissue Eng Regen Med 11:1630–1640. https://doi.org/10.1002/term.2200
Dean RT, Jessup W, Roberts CR (1984) Effects of exogenous amines on mammalian cells, with particular reference to membrane flow. Biochem J 217:27–40. https://doi.org/10.1042/bj2170027
Dias AD, Elicson JM, Murphy WL (2017) Microcarriers with synthetic hydrogel surfaces for stem cell expansion. Adv Healthc Mater 6:1700072. https://doi.org/10.1002/adhm.201700072
Ding DC, Chang YH, Shyu WC, Lin SZ (2015) Human umbilical cord mesenchymal stem cells: a new era for stem cell therapy. Cell Transplant 24:339–347. https://doi.org/10.3727/096368915X686841
Dominici M et al (2006) Minimal criteria for defining multipotent mesenchymal stromal cells. Int Soc Cell Ther Pos Statement Cytother 8:315–317. https://doi.org/10.1080/14653240600855905
Dos Santos F et al (2014) A xenogeneic-free bioreactor system for the clinical-scale expansion of human mesenchymal stem/stromal cells. Biotechnol Bioeng 111:1116–1127. https://doi.org/10.1002/bit.25187
El Omar R, Beroud J, Stoltz JF, Menu P, Velot E, Decot V (2014) Umbilical cord mesenchymal stem cells: the new gold standard for mesenchymal stem cell-based therapies? Tissue Eng B 20:523–544. https://doi.org/10.1089/ten.TEB.2013.0664
Estrada JC et al (2012) Culture of human mesenchymal stem cells at low oxygen tension improves growth and genetic stability by activating glycolysis. Cell Death Differ 19:743–755. https://doi.org/10.1038/cdd.2011.172
Friedenstein AJ, Piatetzky-Shapiro II, Petrakova KV (1966) Osteogenesis in transplants of bone marrow cells. J Embryol Exp Morphol 16:381–390
Hassell T, Gleave S, Butler M (1991) Growth inhibition in animal cell culture. The effect of lactate and ammonia. Appl Biochem Biotechnol 30:29–41. https://doi.org/10.1007/BF02922022
Hervy M, Weber JL, Pecheul M, Dolley-Sonneville P, Henry D, Zhou Y, Melkoumian Z (2014) Long term expansion of bone marrow-derived hMSCs on novel synthetic microcarriers in xeno-free, defined conditions. PLoS ONE 9:e92120. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0092120
Hupfeld J et al (2014) Modulation of mesenchymal stromal cell characteristics by microcarrier culture in bioreactors. Biotechnol Bioeng 111:2290–2302. https://doi.org/10.1002/bit.25281
Kinney MA, Sargent CY, McDevitt TC (2011) The multiparametric effects of hydrodynamic environments on stem cell culture. Tissue Eng B 17:249–262. https://doi.org/10.1089/ten.teb.2011.0040
Lam AT et al (2017) Biodegradable poly-epsilon-caprolactone microcarriers for efficient production of human mesenchymal stromal cells and secreted cytokines in batch and fed-batch bioreactors. Cytotherapy 19:419–432. https://doi.org/10.1016/j.jcyt.2016.11.009
Loubiere C, Sion C, De Isla N, Reppel L, Guedon E, Chevalot I, Olmos E (2019) Impact of the type of microcarrier and agitation modes on the expansion performances of mesenchymal stem cells derived from umbilical cord. Biotechnol Prog 35:e2887. https://doi.org/10.1002/btpr.2887
Marino L et al (2019) Mesenchymal stem cells from the Wharton’s jelly of the human umbilical cord: biological properties and therapeutic potential. Int J Stem Cells 12:218–226. https://doi.org/10.15283/ijsc18034
Martin C et al (2017) Revisiting MSC expansion from critical quality attributes to critical culture process parameters. Process Biochem 59:231–243. https://doi.org/10.1016/j.procbio.2016.04.017
Nienow AW, Rafiq QA, Coopman K, Hewitt CJ (2014) A potentially scalable method for the harvesting of hMSCs from microcarriers. Biochem Eng J 85:79–88. https://doi.org/10.1016/j.bej.2014.02.005
Nienow AW et al (2016) Agitation conditions for the culture and detachment of hMSCs from microcarriers in multiple bioreactor platforms. Biochem Eng J 108:24–29. https://doi.org/10.1016/j.bej.2015.08.003
Rafiq QA, Brosnan KM, Coopman K, Nienow AW, Hewitt CJ (2013) Culture of human mesenchymal stem cells on microcarriers in a 5 l stirred-tank bioreactor. Biotechnol Lett 35:1233–1245. https://doi.org/10.1007/s10529-013-1211-9
Schneider M, Marison IW, von Stockar U (1996) The importance of ammonia in mammalian cell culture. J Biotechnol 46:161–185. https://doi.org/10.1016/0168-1656(95)00196-4
Schop D, Janssen FW, van Rijn LD, Fernandes H, Bloem RM, de Bruijn JD, van Dijkhuizen-Radersma R (2009) Growth, metabolism, and growth inhibitors of mesenchymal stem cells. Tissue Eng A 15:1877–1886. https://doi.org/10.1089/ten.tea.2008.0345
Silva Couto P, Rotondi MC, Bersenev A, Hewitt CJ, Nienow AW, Verter F, Rafiq QA (2020) Expansion of human mesenchymal stem/stromal cells (hMSCs) in bioreactors using microcarriers: lessons learnt and what the future holds. Biotechnol Adv 45:107636. https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2020.107636
Silva JC et al (2020) Extruded bioreactor perfusion culture supports the chondrogenic differentiation of human mesenchymal stem/stromal cells in 3D porous poly(varepsilon-caprolactone) scaffolds. Biotechnol J 15:e1900078. https://doi.org/10.1002/biot.201900078
Tozetti PA et al (2017) Expansion strategies for human mesenchymal stromal cells culture under xeno-free conditions. Biotechnol Prog 33:1358–1367. https://doi.org/10.1002/btpr.2494
Wyma A, Martin-Alarcon L, Walsh T, Schmidt TA, Gates ID, Kallos MS (2018) Non-Newtonian rheology in suspension cell cultures significantly impacts bioreactor shear stress quantification. Biotechnol Bioeng 115:2101–2113. https://doi.org/10.1002/bit.26723
YekrangSafakar A, Acun A, Choi JW, Song E, Zorlutuna P, Park K (2018) Hollow microcarriers for large-scale expansion of anchorage-dependent cells in a stirred bioreactor. Biotechnol Bioeng 115:1717–1728. https://doi.org/10.1002/bit.26601
Yin F, Wang WY, Jiang WH (2019) Human umbilical cord mesenchymal stem cells ameliorate liver fibrosis in vitro and in vivo: from biological characteristics to therapeutic mechanisms. World J Stem Cells 11:548–564. https://doi.org/10.4252/wjsc.v11.i8.548
Yuan Y, Kallos MS, Hunter C, Sen A (2014) Improved expansion of human bone marrow-derived mesenchymal stem cells in microcarrier-based suspension culture. J Tissue Eng Regen Med 8:210–225. https://doi.org/10.1002/term.1515
Yuan X, Tsai AC, Farrance I, Rowley J, Ma T (2018) Aggregation of culture expanded human mesenchymal stem cells in microcarrier-based bioreactor. Biochem Eng J 131:39–46. https://doi.org/10.1016/j.bej.2017.12.011