改进湍流以扩大基于iPS细胞的血小板制造规模

iPS 细胞衍生的可扩增永生化巨核细胞祖细胞系 (imMKCL) 是一种可再生的手段，可用于体外生产大量血小板以供输血。尽管之前已使用 10 升罐系统通过以最佳湍流能量和剪切应力重建湍流生成 1000 亿 (10 11 ) 个 iPS 细胞衍生的血小板，但真正的工业规模生产对于为血小板减少症和其他血小板疾病患者持续供应可输血血小板至关重要。因此，该团队在研究之初开发了一个 50 升良好生产规范 (GMP) 级、一次性美国药典标准 (USP) IV 级聚乙烯罐和一个新型电机调节器，用于更大规模的血小板生产。

通过计算流体力学 (CFD) 分析模拟此类 50 L 罐中产生的湍流能量和剪切应力，研究人员确定了较大系统的最佳运动速度，以模拟之前检查过的较小罐内的情况。值得注意的是，尽管速度经过优化以产生类似的湍流能量和剪切应力平均值，但较大罐的效率始终低于测试的较小罐(3 或 10 L)。此外，容量更大的 50 L 罐产生的血小板不仅数量较少，而且质量较差，在透射电子显微镜检查下显示出超微结构异常。最终，当研究小组使用体外试验或输血给小鼠后在体内(止血和循环动力学)评估其功能时，它们表现出较低的性能。

为了从生物学角度探究扩大规模后无法生产出高质量血小板的原因，研究团队收集了在不同运动速度下生产血小板的第 3 天和第 5 天的 imMKCL，并通过 RNA 测序对其进行了分析。主成分分析显示，培养条件显著改变了 imMKCL 的基因表达谱。在最佳条件下(对应于较小的罐培养)的 imMKCL 上调了与血管生成、细胞粘附、细胞骨架、缺氧、血小板功能和 TGF-β 信号传导相关的基因，而速度过快下的 imMKCL 则相反，上调了与炎症和线粒体功能受损相关的基因，这与生产出不太健康的血小板相一致。

最后，由于发现扩大规模后血小板生产条件并不理想，研究团队重新回到了绘图板上，并进行了额外的 CFD 模拟，以确定扩大规模后湍流是否变得不理想。值得注意的是，他们通过这项分析发现，在更大的 50 L 罐内，存在大量未优化湍流的空间。为了尽量减少这个不希望的空间(非湍流体积)，研究团队模拟了一个叶轮系统，发现它应该可以减少有缺陷的湍流体积。然而，这样的系统目前还没有商业化，因此，研究人员开发了一种新的生物反应器系统，以确保细胞和湍流的分布更加均匀。一个小型的 3 L 系统被构建出来，正如预期的那样，它显示出了高效生产高质量血小板的高效性。

尽管还需要做更多的工作来构建更大规模的系统并测试新的生物反应器设计，但研究团队预计下次的扩大过程会更加顺利，因为新的设计不存在同样的局限性。