设计一种灌注生物反应器系统，用于共同培养由高分化多能干细胞（hiPSCs）衍生的前体细胞，以观察中枢神经系统（CNS）发育过程中小胶质细胞的特征

《Biotechnology and Bioengineering》：Engineering a Perfusion Bioreactor System for hiPSC-Derived Progenitor Co-Culture Capturing Microglial Features in CNS Development

三维共培养模型揭示人诱导多能干细胞衍生的微胶质前体细胞与神经球的相互作用机制。通过Ambr 250生物反应器系统实现了规模化、可控的共培养环境，其中iEMPs整合至神经球并上调IRF8、RUNX1等关键转录因子，分泌MMP-9/TIMP-1等促进ECM重塑和神经元分化的蛋白谱。该模型为神经发育疾病机制研究及药物开发提供了高效平台。

　　这项研究聚焦于利用人类诱导多能干细胞（hiPSCs）构建一个更接近人类生理环境的三维共培养模型，以研究微胶质细胞与神经细胞之间的早期相互作用。微胶质细胞作为中枢神经系统（CNS）的驻留免疫细胞，其在神经发育和维持组织稳态中起着至关重要的作用。然而，传统的二维培养系统无法准确模拟这些复杂的细胞互动，导致微胶质细胞在形态和基因表达上与体内环境存在显著差异。因此，科学家们致力于开发一种能够再现这些早期微胶质细胞与神经细胞之间复杂关系的体外模型，以便更深入地理解神经发育和相关疾病的发生机制，并为药物筛选和治疗策略提供可靠平台。

研究采用了一种新颖的方法，将hiPSC来源的微胶质细胞前体（即iEMPs）与hiPSC来源的神经球（iNSpheroids）进行共培养。这一方法的关键在于使用Ambr 250 Modular搅拌罐生物反应器（STB）系统，该系统能够提供精确的环境控制，包括温度、pH值和溶解氧（DO）浓度，这些参数对于维持细胞健康和功能至关重要。通过STB系统，研究团队实现了高通量、可扩展的细胞共培养，使得在大规模实验中能够保持细胞的稳定性和一致性。此外，该系统还支持使用定制的灌流装置，从而实现了细胞培养过程中的持续营养供应和代谢物清除，这对长期培养至关重要。

研究团队首先通过特定的分化方案，将hiPSCs转化为iEMPs。这一过程涉及一系列阶段性的培养条件，包括不同的培养基成分和时间点的调整，以确保iEMPs的生成符合其在胚胎发育中的自然轨迹。随后，iEMPs与神经球细胞进行共培养，并通过STB系统维持其生长。研究发现，iEMPs能够有效整合到神经球中，形成与神经球相似的细胞密度、聚集形态和细胞浓度，表明该共培养体系在维持细胞互动方面具有良好的效果。

进一步分析显示，iEMPs与神经球共培养后，能够显著上调与微胶质细胞谱系承诺相关的转录因子，如IRF8和RUNX1。此外，iEMP-神经球共培养体系还表现出独特的分泌谱型，释放出与细胞外基质（ECM）重塑和神经元分化密切相关的蛋白质。这些发现表明，iEMPs在共培养条件下不仅能够保持其微胶质细胞的特征，还能够通过分泌因子影响神经细胞的发育过程，从而模拟更真实的中枢神经系统微环境。

在研究过程中，团队还评估了共培养对神经球细胞特性的影响。结果显示，iEMPs的加入并未显著改变神经球中神经前体细胞的表达模式，如PAX6和SOX2，以及神经元、少突胶质细胞和星形胶质细胞的标志物。这表明iEMPs的引入并未干扰神经球的正常发育过程，反而可能通过其分泌的因子促进特定的神经发育事件。这些结果进一步支持了iEMPs在神经发育中的潜在作用，并表明该共培养体系可以作为一种有效的工具，用于研究微胶质细胞与神经细胞之间的相互作用。

此外，研究还通过蛋白质组学分析，揭示了iEMP-神经球共培养体系中分泌的多种因子，包括促炎和抗炎细胞因子，以及与细胞外基质重塑相关的金属蛋白酶（MMPs）和其抑制剂（TIMPs）。这些因子在中枢神经系统发育过程中发挥重要作用，如调控神经元迁移、髓鞘形成和突触可塑性。研究发现，在iEMP-神经球共培养体系中，MMP-9和TIMP-1的分泌显著增加，这可能表明iEMPs通过调节这些因子的表达，影响了神经细胞的发育和微环境的重塑。

研究团队还采用了一系列分析方法，包括细胞活力检测、细胞聚集形态分析、流式细胞术和免疫荧光显微镜技术，以全面评估iEMPs与神经球共培养的效果。通过这些方法，团队确认了iEMPs在共培养过程中能够保持较高的活力，并且其形态和功能特征与体内微胶质细胞高度相似。这些发现不仅验证了该共培养体系的有效性，还为未来在体外研究微胶质细胞在神经发育和疾病中的作用提供了新的可能性。

在讨论部分，研究强调了该共培养模型在神经发育研究中的重要性。由于微胶质细胞在神经发育中的关键作用，将其纳入三维体外模型对于理解疾病机制和测试潜在治疗策略至关重要。然而，当前的hiPSC衍生的CNS细胞，如微胶质细胞，往往在分化过程中表现出一定的异质性和功能不成熟，这限制了其在研究中的应用。因此，开发一种能够稳定、可扩展地生成和维持功能完整的微胶质细胞的方法，对于推动神经疾病研究具有重要意义。

研究团队还提到，不同hiPSC系之间的差异可能会影响分化过程和细胞功能，这在hiPSC相关研究中是一个常见的挑战。尽管如此，该研究中使用的三种hiPSC系均表现出良好的神经球形成能力和细胞活力，说明所开发的共培养体系具有一定的通用性和可重复性。这一发现表明，该方法可以适用于不同来源的hiPSC，从而为大规模疾病建模和药物筛选提供支持。

总的来说，这项研究展示了一种利用hiPSC构建微胶质细胞与神经细胞共培养模型的新方法，为深入理解中枢神经系统发育和疾病机制提供了重要的工具。通过在可控环境中模拟微胶质细胞与神经细胞之间的早期互动，研究团队为未来的药物开发和治疗策略提供了新的方向。这一平台不仅能够帮助科学家探索微胶质细胞在神经发育中的作用，还为研究微胶质细胞在神经疾病中的功能提供了新的视角。未来的研究可以进一步利用这一模型，探讨微胶质细胞在不同病理条件下的行为，并评估潜在的治疗干预措施的效果。