细胞外囊泡（EVs）被认为是多种疾病中有前途的治疗方法和药物传递载体。然而，成功的临床转化取决于可扩展的生物制造方法的发展，特别是对于EV中的低水平货物，可能需要大剂量才能在某些疾病应用中获得临床收益。来自美国马里兰大学的研究人员开发了3D打印支架-灌注生物反应器系统，这种特殊的生物反应器装置可以增加骨髓源性间充质干细胞（MSCs）分泌EV的产量，同时保持促血管生成的生物活性，有效地提高EV治疗的效力。相关内容以“Mesenchymal Stem Cell Culture within Perfusion Bioreactors Incorporating 3D-Printed Scaffolds Enables Improved Extracellular Vesicle Yield with Preserved Bioactivity”为题于3月17日发表在国际先进材料学期刊Advanced Healthcare Materials杂志上。
细胞外囊泡（EV），特别是来自间充质干细胞（MSCs）的囊泡，已经成为一种有趣的细胞疗法的替代疗法，在许多应用场景中（例如败血症/癌症/伤口愈合）有望作为有效的药物传递载体。随着技术的进步、生物安全性的提高、良好的存储要求、以及穿越生物屏障的能力的揭示，MSC EV成为了一种有前途的有效替代亲本细胞的治疗方法。然而阻碍MSC EV临床转化的根本障碍，是缺乏合理设计的生产平台和治疗效力低（即内源性EV的装载货物水平低下）。
研究人员使用了许多方法试图解决这些问题，包括MSC EV货物装载和亲代细胞的生化改造。这些方法有其优点，但通常在可伸缩性方面受到限制，并可能大幅增加生产成本和MSC EV临床转化相关的监管负担。生物物理方案，如流体流动引起的剪切应力，存在于已建立的各种生物制造装置中，可以以高度可重复和成本效益的方式利用。重要的是，动态培养条件已被证明可以增强干细胞EV的产生和生物活性。例如，使用GMP兼容的血清和无异源的细胞培养基，研究人员利用中空纤维生物反应器系统在维持亲本细胞功能的同时，显著增加多个细胞供体的MSC EV的产量。在另一项研究中，与静态条件下的人牙髓干细胞（DPSCs）EV相比，在纤维基支架上动态条件下生长的DPSCs EV显著增加了神经元的轴突发芽。然而，除了流体流动引起的剪切应力之外，这些系统还引入了其他要点，如膜本身的拓扑结构、化学和机械属性都可以影响细胞行为。最近的研究利用了更简单的系统（如平板生物反应器），使用更精确的方法来理解和控制流体流动引起的剪切应力，但仍然缺乏动态制造和探索性研究所需的可调节性。
3D打印技术是一种有前途的解决方案，该技术能够精确控制支架的几何形状和结构，实现更强的适应性系统以及更精确的计算流体建模。由于EV的治疗特征通常由亲本细胞的应激适应性反应决定，因此一个可调节平台对于理解这些反应、并针对特定应用调整EV配方的能力至关重要。在之前的一项研究中，研究人员使用了3D打印的生物相容性支架和蠕动泵（称之为生物反应器）来增强人真皮微血管内皮细胞（HDMEC） EV的生产。研究还表明，当细胞在生物反应器中培养时，先前使用传统培养技术证明的乙醇调节介导的HDMEC EV的促血管生成作用仍然存在。
在这项研究中，研究人员利用一个类似的生物反应器，即3D打印支架-灌注生物反应器系统，评估流体流动引起的剪切应力对骨髓来源的MSCs分泌的EV的产生和生物活性的影响，因为骨髓来源的MSCs是一种常见的治疗细胞来源。研究人员特别关注伤口愈合能力，因为有充分证据证明，传统培养的间充质干细胞的EV具有促血管生成的作用。结果表明，与传统细胞培养相比，灌注生物反应器培养可诱导MSC EV产量增加约40-80倍（取决于测量方法）。此外，使用灌注生物反应器系统生成的MSC EV显著改善了糖尿病小鼠模型的伤口愈合。与使用培养瓶细胞培养产生的MSC EV治疗的动物相比，使用灌注生物反应器EV治疗后的动物创面组织中的CD31+染色增加。总的来说，这项研究为EV的主要临床转化瓶颈提供了一个有前途的解决方案，而且可以根据针对特定应用的可调节能力、以及随着3D打印技术的进步而后续进行进一步改进。
图：灌注生物反应器系建立示意图
参考文献：Mesenchymal Stem Cell Culture within Perfusion Bioreactors Incorporating 3D-Printed Scaffolds Enables Improved Extracellular Vesicle Yield with Preserved Bioactivity. Adv Healthc Mater. 2023 Mar 17:e2300584.
