中科睿极 | 大规模3D细胞培养的必要性及微载体选择

干细胞因其独特的自我复制、分化和调控能力，被寄予了治疗多种难治性疾病的厚望。通过对在美国临床试验注册库(ClinicalTrials.gov)上注册的基于干细胞的临床试验进行系统性分析，显示：每位患者治疗疾病所需的细胞剂量，根据不同疾病类型，每公斤体重可能需要数千万至数十亿个间充质干细胞（MSCs）或诱导多能干细胞（PSCs）。

图1  通过干细胞（MSCs/PSCs）进行一些临床治疗所需的细胞数量示意图

• 干细胞规模化培养的需求及难点

干细胞药物发挥药效的核心成分是数十亿活细胞，因此能够大规模生产细胞成为了一项关键任务。但遗憾的是，传统实验室二维培养或许可以满足早期基础实验对细胞数量的要求，但是远远无法满足干细胞药物开展临床试验和商业化所需的细胞剂量和质量。要达到临床试验和商业化应用所需的干细胞数量和质量，需要适当的大规模培养技术。

规模化生产的难点：贴壁依赖型哺乳细胞（如人源干细胞）通常需要依附在固体表面上生长，因此对培养条件和环境有更高的要求。相比之下，某些细胞（包括悬浮培养型细胞）经过工程化处理，如基因编辑或代谢工程改造，以增强其特定功能或生产能力，这些工程化细胞通常更适应工业化的悬浮培养体系，而贴壁依赖型哺乳细胞对培养过程中仿生微环境的要求更高。为了确保在商业化阶段能够保持细胞培养的一致性和效率，这些环境控制的要求需要贯穿从实验室测试到工业规模放大的全过程。

三维培养系统是实现细胞大规模生产的一种有效方法。例如，微载体（MCs）在生物反应器培养系统中的使用，因其提供了高表面积与体积比，为贴壁依赖型细胞的大规模生产提供了必要的附着和生长表面，并同时允许营养物质和氧气的交换，从而为细胞创造了类似体内的生长条件，特别适用于干细胞、重组蛋白和蛋白疫苗的生产。

• 微载体的选择

微载体在三维培养体系中是关键的组成部分，其材料组成（如陶瓷和聚合物）、性状（固体或液体）、表面形貌（如光滑、微孔到大孔）和几何形状（如球形、圆柱形和六边形等）的选择，直接影响细胞的附着、扩增及最终产量。

选择合适的微载体对三维细胞培养的成功至关重要。商业微载体特性如表1所展示，包括其形状、尺寸、表面涂层/电荷、功能团和刚度，这些特性已被证明影响最终的细胞扩展/分化及产量。

表1：用于大规模制造MSCs的市售微载体的性质

• 微载体的局限性

传统微载体在商业化应用中取得了显著进展，但它们在生物相容性、成本效益、规模化生产以及与复杂组织结构的兼容性方面的局限性仍面临着一些亟待解决的挑战：

局限一：预处理的复杂性传统微载体在使用前需要经过浸泡、灭菌和清洗等预处理步骤。这些繁琐的预处理工序不仅增加了操作的复杂性，以及工艺的不确定性和风险，还可能对细胞的生长环境产生不利影响。

局限二：细胞收获与分离的挑战由于载体材料不可降解，传统微载体在收获细胞时可能导致操作繁琐且损伤细胞，影响细胞的生长和功能表达，进而干扰后续实验的准确性和可靠性。

局限三：细胞容易脱落传统微载体的生物活性有限，使用过程中可能出现细胞脱落现象，这不仅降低了细胞培养的效率，还可能影响细胞的质量和功能。细胞脱落减少了可用于实验的细胞数量，还可能导致细胞培养过程中的干扰，增加了实验的复杂性和风险。

局限四：裂解残留检测标准不明确可裂解的传统微载体在裂解过程中，残留检测标准不明确，这使得细胞收获和后续处理的安全性和可靠性存疑。裂解残留物可能会影响细胞的活性和功能，甚至可能对后续的细胞应用产生不利影响，增加了药物申报的风险和不确定性。

• 中科睿极适合大规模3D培养的微载体

中科睿极由国家科技进步一等奖获得者、国家重大人才工程特聘专家、中科睿极首席科学家张智勇教授领衔，凭借其在再生医学领域的深入研究和创新技术，在微载体、生物反应器、培养基三方面都掌握自主产品研发能力（从基础研究到规模化量产）。

中科睿极三维培养技术以其高效、自动化、数字化的特点，响应了市场对于更先进细胞培养解决方案的需求。

• 中科睿极微载体

 中科睿极的微载体，通过精细设计的二维拓扑表面、优化的三维孔径结构与适宜的机械强度，显著提升了细胞的贴附与增殖能力，同时确保培养过程的稳定性和批次间的一致性。

此外，中科睿极的微载体在制造过程中，通过严格的材料选择和工艺控制，将内毒素水平控制在极低范围。

这些突破性的改进，克服了传统商用微载体的局限性，为生物制药、细胞治疗、疫苗生产等领域的大规模生产提供更优质的细胞培养方案。

中科睿极微载体专为贴壁型细胞规模化培养优化设计DASEA Regencarrier^®  仿生型微载体是一款针对干细胞培养特性进行优化设计的仿生型多孔微载体。

该微载体从材料的生化组分、二维表面拓扑结构、到三维空间构象和孔隙结构，均经过精确控制，模拟了体内细胞微环境。这种设计能够更好地促进干细胞的粘附、增殖，并维持其表型。独特的多孔结构也可显著减少三维培养过程中剪切力对细胞的损伤。

DASEA Regencarrier^® 仿生型微载体在扫描电镜下呈现多孔微球结构

DASEA Regencarrier^® 仿生型微载体具备良好的生物相容性和生物降解性，裂解不损伤细胞（按照中科睿极三维细胞培养SOP操作），专为温和收集细胞设计。

中科睿极微载体孔隙率＞90%，粒径大小可控于150-300μm之间，剂型、剂量均可根据客户需求灵活调整，能够满足干细胞规模化三维培养和扩增的要求。值得一提的是，微载体还可以根据需求进行定制，包括机械强度、孔隙结构和粒径大小等参数，以满足不同细胞类型和培养需求，提升培养效率和实验结果的准确性。

总结：中科睿极的三维培养体系，不仅能提高细胞培养的效率和产量，而且通过其创新的生物材料和自动化技术，实现了细胞制备过程的数字化转型。这种转变大幅降低了细胞制备成本，提高了细胞制备的稳定性，从而降低了细胞治疗的临床应用门槛，为细胞治疗的商业化和规模化生产提供了强有力的支持！