在灌注模式下对特定细胞进行营养供给，可以促进搅拌罐生物反应器中间充质干细胞（hMSCs）的生长

《Journal of Biotechnology》：Cell specific nutrient feeding in perfusion mode enhances hMSC growth in stirred tank bioreactor process

hMSCs微载体培养中，通过优化连续供氧（0.1L生物反应器）的葡萄糖消耗率（15pmol·细胞?1·天?1）与细胞特异性供液率（5nL·细胞?1·天?1）组合，实现5.4倍扩增效率提升，突破传统搅拌罐换液模式限制。

　　
人骨髓间充质干细胞（hMSCs）的规模化生产是细胞治疗领域的重要挑战。hMSCs凭借其免疫调节特性，在移植物抗宿主病（GvHD）、类风湿性关节炎等疾病治疗中展现出广阔前景。全球目前已有超过1500项临床研究涉及hMSCs，但细胞扩增环节仍面临显著瓶颈——传统平面培养模式难以满足单次治疗需求（约10^8-10^9个细胞）的规模化生产要求。这种模式存在两大核心缺陷：一是平面培养依赖定期全量换液（通常2-4天/次），造成约30-50%的培养基浪费；二是随着细胞密度提升，营养传递效率下降，代谢产物（如乳酸、铵盐）的积累会抑制细胞增殖。

本研究创新性地将平面培养的"动态换液"策略转化为三维生物反应器中的连续灌注技术。首先通过对比实验筛选出Plastic、Enhanced attachment、Synthemax II和Dissolvable四种微载体，发现Enhanced attachment微载体表面修饰的亲水性涂层能显著提升细胞附着率（较平面培养提高27%）。在工艺转化阶段，研究团队成功将平面培养的24小时换液周期转化为摇瓶反应器的灌注模式，通过精密控制灌注速率（5 nL/细胞·天）和葡萄糖浓度（目标代谢速率15 pmol/细胞·天），实现了细胞密度的稳定提升。

关键突破体现在三个维度：其一，灌注系统使培养基更新效率提升至平面培养的3倍，通过实时监测葡萄糖代谢速率，动态调整灌注量，将乳酸积累量降低42%；其二，创新性采用"梯度密度释放"策略，当细胞密度达到临界值（>1×10^6/cm2）时，自动触发微载体解体机制，释放新生成的细胞至上层培养区，使单批次细胞产量提升至平面培养的5.4倍；其三，通过优化搅拌转速（维持200-300 rpm区间）和气泡分布系统，在保证细胞表面活性的前提下，使氧传递效率达到平面培养的1.8倍。

研究特别揭示了微载体表面电荷对细胞代谢的影响规律。通过原子力显微镜观测发现，带负电表面（pH 8.5以上）能显著抑制细胞分泌IL-6等促炎因子（降低量达65%），同时促进TGF-β3等抗纤维化因子的表达。这种表面特性与临床治疗需求高度契合，为后续工艺优化提供了关键参数。

该技术体系已成功在0.1升反应器中实现稳定运行，细胞扩增周期从平面培养的28天缩短至14天，单批次产能达到2.3×10^9个临床级细胞。未来工程化改进方向包括开发多级串联反应器以突破单罐容量限制，以及建立基于机器学习的动态灌注模型，实现细胞代谢状态的实时闭环调控。这一技术突破不仅解决了hMSCs生产中的工程瓶颈，更为其他贴壁细胞的规模化培养提供了通用性解决方案。