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題目中的干細(xì)胞專指間充質(zhì)干細(xì)胞

2021-07-29 18:26:00


題目中的干細(xì)胞專指間充質(zhì)干細(xì)胞
       細(xì)胞療法和再生醫(yī)學(xué)產(chǎn)品擁有非常獨(dú)特的產(chǎn)業(yè)鏈,在整個產(chǎn)業(yè)鏈上,細(xì)胞必須保持活力和功能。超低溫保存已成為再生醫(yī)學(xué)產(chǎn)品物流過程和供應(yīng)鏈的重要組成部分。在培養(yǎng)液中運(yùn)輸?shù)幕罴?xì)胞只有很短的保質(zhì)期。保存方法不佳容易限制了使用間充質(zhì)干細(xì)胞(MSC)治療疾病的能力。比如Prochymal(MSC注射液)用于治療移植物抗宿主病,但在III期臨床試驗(yàn)中失敗,細(xì)胞解凍后功能不佳是導(dǎo)致治療失敗的原因之一[1, 2]。
        當(dāng)然,Prochymal(MSC注射液)的失敗,不僅僅有解凍后細(xì)胞功能下降的原因,還可能存在更多的原因,詳情請見本公眾號之前的分析文章《具有免疫抑制能力的MSC為何敗在治療GVHD的3期臨床試驗(yàn)?
 
       凍存降低MSC的活率和功能低溫組織儲存研究的起源可以追溯到19世紀(jì)末[3]。MSC被使用之前,需要經(jīng)過一系列的各種檢測,從而保證了MSC注射液的安全性。MSC作為種子細(xì)胞或者工作細(xì)胞,進(jìn)行超低溫凍存,從而在時間上滿足各種檢測的需求。 
 
       不管MSC是作為種子細(xì)胞,還是直接制備成注射液的工作庫的細(xì)胞,要超低溫凍存MSC在-80度冰箱和液氮(液相/氣相液氮罐)中,都需要用到含有冷凍保護(hù)劑(CPA)的凍存液。這些冷凍保護(hù)劑可以保護(hù)細(xì)胞免受冷凍和解凍這兩個過程所帶來的損傷。
 
        MSC的應(yīng)用,有2種常見的使用方式:(1),使用培養(yǎng)新鮮的MSC制備成干細(xì)胞注射液;(2),使用凍存的MSC直接制備成干細(xì)胞注射液。早些年,美國的干細(xì)胞公司多采用第2種使用方式,目前已經(jīng)意識到這種方式的弊端。而我國更多的是采用第1種使用方式。這兩種使用方式各有優(yōu)缺點(diǎn)。
 
       由于超低溫保存,MSC細(xì)胞活率會受到一定程度的影響,基本上都出現(xiàn)細(xì)胞活率下降[1, 4-8]。有的研究團(tuán)隊(duì)采用的凍存方案(包括冷凍保護(hù)劑配方和凍存/復(fù)蘇的操作)會導(dǎo)致MSC低至44%的活率[1],這個44%的活率還不是最低的,還有更低的36%[5]。經(jīng)過該凍存方案處理的MSC,出現(xiàn)臨床治療效果欠佳,大部分人沒意識到是凍存方案出問題。舉一個例子來說明這個問題:有一個手力很弱雞的人,用一把刀來砍樹,結(jié)果沒砍倒樹,然后狠狠地責(zé)備這把刀不能砍樹,其實(shí)就是選擇性忽視了自己手力的弱雞。當(dāng)然,也有團(tuán)隊(duì)在處理MSC凍存降低活率方面做的比較好,經(jīng)過凍存處理,MSC復(fù)蘇后的活率可以均達(dá)到88%以上[8]。 
 
       直接采用液氮凍存的MSC,只是在臨床應(yīng)用前進(jìn)行解凍復(fù)蘇,然后直接給與MSC回輸治療,這樣的操作會導(dǎo)致MSC出現(xiàn)免疫抑制功能的嚴(yán)重下降[1, 2]。另一團(tuán)隊(duì)也證實(shí)了MSC經(jīng)過凍存后出現(xiàn)免疫抑制能力下降,即使細(xì)胞活率達(dá)到88%以上[8]。比較詭異的是,著名的卡羅琳斯卡大學(xué)醫(yī)院的某干細(xì)胞團(tuán)隊(duì),其MSC經(jīng)過凍存后的活率也只有70%,但是卻通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來證明“凍存”這個程序能提高M(jìn)SC的免疫抑制能力[4]。經(jīng)過凍存解凍后立刻回輸使用的MSC,更容易被體內(nèi)的免疫細(xì)胞(T細(xì)胞)所殺傷,加速了機(jī)體免疫系統(tǒng)對輸入的MSC的清除[9]。凍存不僅會影響到MSC的活率和免疫抑制功能,而且還會誘導(dǎo)MSC出現(xiàn)一定程度的細(xì)胞衰老[7, 8]。
 
        一項(xiàng)系統(tǒng)性綜述比較了來自41個獨(dú)立研究的10個物種的骨髓MSC解凍后的評估報(bào)告,發(fā)現(xiàn)MSC的形態(tài)、免疫表型、分化和增殖潛力在很大程度上不受低溫保存的影響,但27%的研究報(bào)告存活率顯著降低[10]。因此,需要重視MSC的凍存對MSC應(yīng)用療效的影響。    故,本文重點(diǎn)針對第2種使用方式做詳細(xì)的介紹,讓大家認(rèn)識到第2種方式的致命缺陷,從而避免或者做出改良,進(jìn)一步推動干細(xì)胞行業(yè)的發(fā)展。
 
       解凍4小時內(nèi),人骨髓MSC的細(xì)胞存活率稍微下降,細(xì)胞凋亡率增加(最高可達(dá)30%),代謝活性和黏附能力降低;解凍后24h,人骨髓MSC的細(xì)胞活力恢復(fù),細(xì)胞凋亡率下降,但代謝活性和黏附能力仍低于新鮮細(xì)胞[11]。凍存和解凍后的細(xì)胞受到各種類型的壓力,導(dǎo)致細(xì)胞膜和細(xì)胞骨架發(fā)生變化[12]。有研究指出MSC解凍后黏附能力低,是因?yàn)镸SC胞內(nèi)的F肌動蛋白被破壞,而不是MSC細(xì)胞表面黏附分子脫落[13]
 
       有意思的是,在經(jīng)歷了凍存和解凍之后,三個不同供體來源的骨髓MSC細(xì)胞之間出現(xiàn)明顯的生物學(xué)功能的差異,而這種變異可能與捐獻(xiàn)者的年齡和種族有關(guān)[11]。有研究提出,24小時的恢復(fù)期可能會使MSC恢復(fù)到更好的功能狀態(tài)[6, 11]。一般來說,MSC經(jīng)過解凍復(fù)蘇后進(jìn)入傳代培養(yǎng)階段,MSC的增殖能力和功能特性得到完美的恢復(fù)[14-16]。
 
       另外,在超低溫保存中,細(xì)胞在低溫等極端條件下會大量產(chǎn)生活性氧(ROS)[17],ROS造成的損害可歸因于脂質(zhì)過氧化[18]、蛋白質(zhì)氧化[19]和DNA損傷[20, 21]。抗氧化劑與冷凍保護(hù)劑聯(lián)合使用可提高冷凍保存效率,但濫用抗氧化劑可能會產(chǎn)生不良結(jié)果[22]。 
 
冷凍保護(hù)劑介紹

        常用的冷凍保護(hù)劑有2類:(1)滲透性冷凍保護(hù)劑,比如二甲基亞砜(DMSO)、甘油(GLY)、乙二醇(EG)或丙二醇(PG)等。目前常用的冷凍保護(hù)劑是二甲基亞砜(10%),在冷凍過程之前加入細(xì)胞培養(yǎng)液中,增加細(xì)胞膜的孔隙度,從而使水可以更自由地流過細(xì)胞膜,有助于防止胞內(nèi)水晶體的形成[23-25]。(2)非滲透性冷凍保護(hù)劑,比如聚乙二醇(PEG)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、棉籽糖、蔗糖和海藻糖等。
 
        DMSO是最常用的冷凍保護(hù)劑。人骨髓MSC、豬脂肪MSC和犬骨髓MSC,在10%DMSO的保護(hù)下,能在液氮中長期保存數(shù)年而不影響MSC的功能特性[26-28]。所有被測試的冷凍保護(hù)劑都能夠維持羊水來源的MSC的表面標(biāo)記表達(dá)、基因表達(dá)和分化,還發(fā)現(xiàn)了用DMSO或甘油凍存MSC比蔗糖或海藻糖有更高的活率[29]。在10%DMSO和10%自體血漿的凍存液中冷凍保存超過20年的骨髓細(xì)胞被解凍復(fù)蘇后,能培養(yǎng)出骨髓MSC,但是復(fù)蘇培養(yǎng)的細(xì)胞貼壁率僅為種子細(xì)胞的50%,繼續(xù)培養(yǎng)則MSC恢復(fù)正常功能狀態(tài)[30]。
 
       比較5%、10%和20%的DMSO凍存豬骨髓MSC的存活率、CFU-F,以及Bak和Bcl2的表達(dá),結(jié)果是凍存MSC的存活率和CFU-F形成數(shù)與DMSO濃度成反比,經(jīng)5%DMSO凍存的MSC存活率與對照組(新鮮MSC)相當(dāng),但是MSC在5%和10%的DMSO中的凍存效果無顯著差異[31, 32]。也有一篇文章提到DMSO的濃度可以降至2%,人脂肪MSC在解凍復(fù)蘇后的細(xì)胞活率可以維持在80%以上[33]。
 
       當(dāng)然滲透性和非滲透性冷凍保護(hù)劑也可以一起組合使用,比如棉籽糖和DMSO組合冷凍哺乳動物卵母細(xì)胞,可以獲得較高的冷凍存活率、受精率和發(fā)育率[34];低濃度的乙二醇(EG)與DMSO組合提高了大鼠和人胰島細(xì)胞的產(chǎn)量、存活率和很好的保障了葡萄糖刺激的胰島素釋放的功能[35];還可以DMSO、乙二醇和蔗糖三者混合后凍存豬的囊胚[36]。如果MSC混合添加的DMSO的凝膠膠原支架,即使凍存在-80度的冰箱里,6個月的時間能維持90%以上的活率[37]。由4%DMSO+6%海藻糖+10%FBS組成的凍存液,人脂肪MSC細(xì)胞解凍后存活率可達(dá)80%以上[38]。同樣的凍存液配方(5%DMSO+2%PEG+3%海藻糖+2%BSA),對不同動物來源的MSC產(chǎn)生不同的影響(活率和代謝水平);相比較于大鼠和牛的MSC,這個凍存液配方更適合小鼠MSC[39]。
 
       常用的冷凍保護(hù)劑如DMSO對細(xì)胞有溫度、時間和濃度依賴性的毒性效應(yīng),并在患者中引發(fā)不良反應(yīng)[40, 41]。尋找DMSO的無毒替代品,也是一個臨床應(yīng)用所訴求的發(fā)展方向。1%脯氨酸和10%四氫甲基嘧啶羧酸(ectoin)組合凍存人MSC,具有和DMSO一樣的凍存效果(90%),只是比商品化的無DMSO冷凍溶液Biofreeze稍微遜色[42]。海藻糖、蔗糖、甘油、甘露醇和肌酸搭配組合凍存T細(xì)胞,也能達(dá)到80%左右的活率[43, 44]。無DMSO和無血清的凍存液,主要的冷凍保護(hù)劑是蔗糖、海藻糖和棉籽糖,輔助電穿孔技術(shù)(使得胞內(nèi)的水得以流出胞外),凍存人臍帶MSC,MSC細(xì)胞的存活率最高為80%,MSC在解凍后24小時方可貼壁,但是胞內(nèi)的空泡明顯增多[45]。
 
冷凍保護(hù)劑的保護(hù)原理

       添加了冷凍保護(hù)劑的凍存液,一般都是高滲透壓(摩爾濃度滲透壓,摩爾滲透壓)的。當(dāng)細(xì)胞從生理溶液轉(zhuǎn)移到低溫保存溶液時,由于胞外溶液中的滲透壓
(摩爾濃度滲透壓,摩爾滲透壓)較高,細(xì)胞會脫水,同時低溫保存溶液的小分子(如DMSO)擴(kuò)散到細(xì)胞內(nèi)時,細(xì)胞體積會緩慢減少;如果冷凍保存液中只有非穿透性冷凍保護(hù)劑(如葡聚糖和蔗糖),細(xì)胞也會脫水并保持脫水狀態(tài),只是冷凍保護(hù)劑不能進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)[46, 47]。在解凍復(fù)蘇階段,水從細(xì)胞外的低滲溶液迅速移動到細(xì)胞內(nèi)的高滲透溶液,而小分子冷凍保護(hù)劑則向相反的方向緩慢移動,導(dǎo)致細(xì)胞體積膨脹,并達(dá)到細(xì)胞內(nèi)外的滲透壓恢復(fù)平衡。所以,在細(xì)胞冷凍處理和解凍復(fù)蘇的過程中,稍有差錯,細(xì)胞就會因?yàn)闈B透壓(摩爾濃度滲透壓,摩爾滲透壓)的過度變化,導(dǎo)致細(xì)胞膜破裂而死亡。這就是細(xì)胞的滲透壓力性損傷。 
 
        細(xì)胞冷卻凝固時,細(xì)胞內(nèi)剩余的水量受冷卻階段水外流速率的影響,影響這一速率的三個變量是:細(xì)胞表面積與體積的比率、膜的透水性和冷卻速率[48]。也就是說,與較小細(xì)胞的脫水相比,較大細(xì)胞的脫水本質(zhì)上是緩慢的。應(yīng)根據(jù)細(xì)胞大小考慮冷凍保存期間的調(diào)整,以便在玻璃化發(fā)生之前有足夠數(shù)量的水退出??梢酝ㄟ^添加不同的冷凍保護(hù)劑來改變細(xì)胞膜的透水性。冷卻速度也是可以調(diào)整的。 
 
       冷凍保護(hù)劑通過加強(qiáng)氫鍵來改變水的低溫行為變化,包括:冰晶形態(tài)的變化,冰凍過程中的冰凍溫度和冰量[49, 50]。冷凍保護(hù)劑一般是高滲的,將細(xì)胞長時間置于冷凍保護(hù)劑中,可導(dǎo)致兩種獨(dú)立的損傷機(jī)制:滲透壓力和生物化學(xué)毒性[51]。
 
       滲透壓
(摩爾濃度滲透壓,摩爾滲透壓)變化導(dǎo)致的細(xì)胞損傷,如前所述。含DMSO的冷凍保護(hù)劑,通常可以觀察到DMSO對細(xì)胞活力的不良影響,這是由DMSO導(dǎo)致的生物化學(xué)毒性損傷。DMSO添加到冷凍保護(hù)劑溶液中會出現(xiàn)放熱現(xiàn)象,因此,需要提前配置和預(yù)冷冷凍保護(hù)劑溶液。為了在解凍后去除冷凍保護(hù)劑溶液,可以使用滲透壓稍高的洗滌液慢慢稀釋細(xì)胞,然后在必要時洗滌細(xì)胞[52]。因此,對于新的低溫保存液的開發(fā),評估冷凍保護(hù)劑的生化毒性是至關(guān)重要的。理想情況下,冷凍保存溶液的成分應(yīng)該是臨床級的。
 
細(xì)胞凍融的程序

        基本原則:慢凍速融即使細(xì)胞有冷凍保護(hù)劑的保護(hù),在冷凍過程中,也需要非常注意溫度的下降程序??偟囊笫窃诶鋬鲞^程中,盡可能減少胞內(nèi)冰晶的出現(xiàn),即盡可能讓胞內(nèi)流動的水通過滲透壓
(摩爾濃度滲透壓,摩爾滲透壓)差的存在而流出胞外。實(shí)驗(yàn)室的常規(guī)操作是經(jīng)過4個溫度梯度的適應(yīng)性過渡變化:4度、-20度、-80度、液氮。這種常規(guī)操作很難做到標(biāo)準(zhǔn)化和精準(zhǔn)化?,F(xiàn)在可以通過使用可控速率的設(shè)備(程序降溫儀)來實(shí)現(xiàn)細(xì)胞環(huán)境能以穩(wěn)定的1度/分鐘(或其他速率)的幅度來降溫。
       
       冷凍過程中,需要將細(xì)胞從冰箱或其他設(shè)備轉(zhuǎn)移到存儲液氮罐,在此轉(zhuǎn)移過程中,需要快速操作,避免細(xì)胞可能會迅速升溫而導(dǎo)致冷凍保護(hù)劑熔化,從而導(dǎo)致細(xì)胞損傷。由于滲透性冷凍保護(hù)劑通過氫鍵與水發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用,水的冰點(diǎn)被降低,可與自身相互作用形成晶體所需的關(guān)鍵位點(diǎn)的水分子就會減少。
 
       凍存細(xì)胞的復(fù)蘇,必須給細(xì)胞迅速升溫,以防止冰的再結(jié)晶。解凍后細(xì)胞的活率取決于解凍過程中,細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外冰晶的數(shù)量和大小,因?yàn)榘麅?nèi)外的冰晶能直接刺破細(xì)胞膜和胞內(nèi)亞器官。 
 
       常規(guī)做法是將樣品從儲存庫/冰柜中取出,浸泡在37攝氏度的水浴中,然后輕輕旋轉(zhuǎn),直到冰消失,以實(shí)現(xiàn)最大的存活率[53]。用水浴解凍細(xì)胞有幾個明顯的局限性。由于技能或習(xí)慣的原因,不同的操作員可能不會以完全相同的方式執(zhí)行解凍程序。減少解凍過程的可變性,需要訓(xùn)練有素的操作員,并建立標(biāo)準(zhǔn)化的解凍程序。在水浴中解凍的細(xì)胞也有被污染的風(fēng)險(xiǎn),因?yàn)樗Νh(huán)境是開放的。新的干式解凍裝置,可以克服水浴鍋中解凍細(xì)胞的限制,尤其適用于解凍有價(jià)值的細(xì)胞療法。
 
        解凍后洗滌是去除冷凍保護(hù)劑最常見的方法,即對細(xì)胞進(jìn)行洗滌液或培養(yǎng)液重懸后離心,去除上清液,然后將細(xì)胞重新懸浮在洗滌液或培養(yǎng)液中。然而,需要注意的是,解凍后洗滌會造成凍存細(xì)胞的數(shù)量損失。
 
MSC注射液的低溫運(yùn)輸

        MSC注射液的低溫運(yùn)輸也是一個不可忽視的小問題,能影響到MSC在應(yīng)用前的細(xì)胞活率。故而目前都建議MSC注射液(在人血清白蛋白的保護(hù)下)在24小時內(nèi)使用[54]。人脂肪MSC在5°C的含海藻糖的保存液中24小時后,MSC的存活率可達(dá)95%[55]。人骨髓MSC含海藻糖的保存液中4度冷藏72小時后,MSC的存活率不到80%,但MSC的免疫抑制功能稍有下降[56]。MSC重懸在含40 mM海藻糖的細(xì)胞保存液中,4度環(huán)境下,MSC在7天的存活率保持在90%以上[57]。
 
        凍存的細(xì)胞,尤其是制備成注射液后的細(xì)胞,在運(yùn)輸過程中可能會經(jīng)歷各種應(yīng)力,包括溫度波動、機(jī)械振動和沖擊以及壓力變化。減少樣品在運(yùn)輸過程中的可變性和保持穩(wěn)定性,需要全面的運(yùn)輸考慮和制定經(jīng)過驗(yàn)證的運(yùn)輸流程,即運(yùn)輸流程盡可能地在經(jīng)歷各種情況后不影響細(xì)胞的功能。
 
3D支架的聯(lián)合使用

       將MSC貼附在生物相容性材料制成的支架上進(jìn)行冷凍保存,形成即用的移植單元,用于修復(fù)骨、軟骨或皮膚的損傷。常見做法是將MSC冷凍保存在海藻酸鹽微球中。海藻酸鈉是一種天然多糖,具有吸水性,通過吸收水分可以防止在凍結(jié)過程中形成大冰晶,良好的生物相容性和生物降解性。在10%DMSO的存在下,冷凍保存的海藻酸鹽包裹的MSC獲得了90%的解凍后存活率[58]。將臍帶來源的MSC接種于含10%DMSO的海藻酸鹽-明膠支架中,再凍存于液氮,但是復(fù)蘇后細(xì)胞死亡較多,而且24小時的增殖速度減慢[59]。
 
        在一項(xiàng)研究中,將一段臍帶(2-3厘米)浸泡在含有10%DMSO和0.2M蔗糖的培養(yǎng)基中,并以1/分鐘的速度冷卻到-80度,然后轉(zhuǎn)移到液氮中保存5~29天,組織解凍復(fù)蘇后能繼續(xù)培養(yǎng)出MSC,但是MSC增殖速度慢和細(xì)胞數(shù)量稀少[60, 61]。甚至也有報(bào)告臍帶組織經(jīng)過含10%DMSO、5%甘油和20%FBS的凍存液冷凍保存在液氮后,未能從解凍復(fù)蘇的臍帶中培養(yǎng)出MSC[62]。相類似的,冷凍完整的牙齒中大約只有20%-30%經(jīng)過解凍復(fù)蘇后培養(yǎng)出牙髓MSC[16, 63]。
 
總結(jié)

        理論上,MSC凍存在-196度的液氮里面(或氣相液氮),細(xì)胞所有的生命活動都是處于靜止?fàn)顟B(tài),那么細(xì)胞的生命能永恒保存,只要不出現(xiàn)液氮補(bǔ)充不及時等情況。
 
       雖然冷凍保存程序可能會影響幾個細(xì)胞過程,包括細(xì)胞存活、細(xì)胞功能、蛋白質(zhì)表達(dá)、DNA完整性(表觀遺傳)、細(xì)胞骨架和核結(jié)構(gòu),但是相同的凍存方案對不同類型的細(xì)胞有不同程度和不同方面的差異化影響[64, 65]。
 
       除了凍存液配方,合適的凍存細(xì)胞濃度也是一個不可忽視的影響因素。幾項(xiàng)研究表明,較高的有核細(xì)胞濃度(高達(dá)2億個細(xì)胞/毫升)對低溫保存劑具有良好的耐受性,并可產(chǎn)生良好的臨床結(jié)果[66, 67]。也有專家建議人MSC的細(xì)胞凍存濃度為(2-25)x106/毫升[68]。這個細(xì)胞濃度的范圍,還是比較寬泛的。
 
       冷凍保存細(xì)胞的目的是保持細(xì)胞的關(guān)鍵生物學(xué)特性,以確保適當(dāng)?shù)慕鈨龊蠊δ埽?xì)胞完整性、代謝活性、增殖活性、分化潛力和治療功效的檢測[3, 69]。雖然使用膜完整性染料測量細(xì)胞的物理完整性是解凍后評估最廣泛的方法,但是用膜完整性作為衡量細(xì)胞存活率、功能的指標(biāo)并不可靠,還應(yīng)進(jìn)行其他關(guān)鍵生物學(xué)特性的表征,如代謝活性、增殖活性或反映細(xì)胞功能的指標(biāo)[70]。簡而言之,活力和功能檢測是確定解凍后細(xì)胞質(zhì)量和提高當(dāng)前冷凍保存方法效率的重要判斷指標(biāo)。 
 
        細(xì)胞治療行業(yè)的規(guī)范化發(fā)展,涉及細(xì)胞運(yùn)輸、細(xì)胞儲存、細(xì)胞供應(yīng)的可用性以及質(zhì)量控制的時間,都需要考慮到冷凍保存方案/程序應(yīng)該在遵循GMP原則的同時提供大規(guī)模功能良好的細(xì)胞產(chǎn)品[65]。大容量程序化冷凍設(shè)備的發(fā)展和應(yīng)用,能解決細(xì)胞的大規(guī)模凍存的工業(yè)化問題,和促進(jìn)細(xì)胞治療行業(yè)的良好發(fā)展[71, 72]。


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