細胞與發育生物學 跨領域生物科技

3D 培養裝置幫助多能幹細胞長得又多又強壯

人類多功能性幹細胞(human pluripotent stem cells,hPSCs)包括胚胎幹細胞(embryonic stem cells,ESCs)及誘導型多功能幹細胞(induced pluripotent stem cells,iPSCs)常被科學家用以進行藥物的篩選及再生醫學的研究。隨著 hPSCs 的需求漸增,為了能有又多又強壯的 hPSCs,京都的研究團隊設計了新的 3D 培養裝置,具有大量產出 hPSCs 的潛力。

傳統貼附式培養用在大規模培育 hPSCs 時,會有不少經濟上的限制,包含穩定品質、人力成本等。2010 年以來,陸續研究發現 hPSCs 可以使用懸浮式培養的方式,因為 hPSCs 有著與一般細胞不同的生長特性,在生長時不需要貼附培養皿上,在空間上的限制比一般貼附型細胞少。由於這樣的培養狀態,hPSCs 能以 3D 懸浮的方式培養以節省生產成本。

在本研究之前的 3D 培養仍有一些限制,諸如在繼代培養時,會利用酵素把原本細胞團切碎成更小的團塊讓它們重新生長,然而利用酵素的方式無法產生一致性的細胞團。大小不一致的細胞團塊會影響到生長的效率。另外,酵素將細胞切碎也會造成細胞功能的損傷,影響到幹細胞分化的功能。其他問題像是在細胞團塊間會有無法控制的融合,這樣的融合會產生不同大小的細胞團塊也會影響幹細胞的功能。而以往維持氣體養分交換效率的攪拌法(stirring)易產生傷害細胞的剪力(shear force)。如果能解決前面所說的問題,就能在培養幹細胞上面有好的進展。

為了解決 3D 培養的現存問題,京都大學團隊最近設計出更進步的培養系統。他們研究利用網格的濾網方式取代酵素把細胞切碎,讓細胞團通過 70 微米的網格濾網後,能將細胞團塊切成直徑相近的 300 微米團塊,這樣的大小剛好能使 hPSCs 生長的最好。另外 Nakatsuji 團隊還使用了甲基纖維素聚合物(Methylcellulose polymer)與結藍膠(gellan gum)兩種物質混入培養液中,這樣的配方除了能讓細胞團懸浮在培養液外,也能改善細胞團會自行融合的現象。他們更進一步設計出氣體交換效果好的培養袋,免去使用攪拌法。期待京都大學團隊 3D 培養的新設計,能在不遠的將來為我們提供經濟化量產的 hPSCs。

參考資料:Otsuji, T. G., Bin, J., Yoshimura, A., Tomura, M., Tateyama, D., Minami, I., … Nakatsuji, N. (2014). A 3D Sphere Culture System Containing Functional Polymers for Large-Scale Human Pluripotent Stem Cell Production. Stem Cell Reports2(5), 746. doi: 10.1016/j.stemcr.2014.04.013

圖片來源:改編自 doi: 10.1016/j.stemcr.2014.04.013

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李 丞釩

台大醫學院生物化學暨分子生物研究所博士班,主要研究癌症轉移的機制。目前在美國UT southwestern做研究交流。希望透過Investigator平台認識更多興趣相投的朋友,也能在科研上切磋成長。希望能跟這個大家族一起為台灣的生醫領域有所貢獻。