利用Vertical Wheel?生物反应器规模化生产人诱导多能干细胞来源胰岛的创新方法及其糖尿病治疗潜力

《npj Regenerative Medicine》：Scale up manufacturing approach for production of human induced pluripotent stem cell-derived islets using Vertical Wheel? bioreactors

本研究针对干细胞(SC)来源胰岛规模化生产中的细胞损失、批次差异和功能成熟度等关键问题，开发了基于Vertical Wheel?生物反应器的全悬浮培养方案。通过优化诱导多能干细胞(iPSC)分化为功能性SC-胰岛的六阶段工艺，在0.5L反应器中实现胰岛当量(IEQ)产量提升12倍，获得葡萄糖响应性胰岛素分泌(3.9-6.1倍增幅)且能逆转糖尿病小鼠高血糖的成熟β细胞(CPPT+NKX6.1+占比63%)。单细胞RNA测序证实其转录组与成人胰岛高度相似，为糖尿病细胞治疗提供了标准化生产路径。

糖尿病细胞治疗的规模化困境与突破
全球超过5亿糖尿病患者中，约10%为依赖胰岛素注射的1型糖尿病(T1D)患者。虽然胰岛移植可恢复内源性胰岛素分泌，但供体短缺和终身免疫抑制需求限制了其应用。干细胞(SC)来源胰岛为突破这一瓶颈带来希望，Vertex制药的VX-880临床试验已使部分T1D患者实现胰岛素独立。然而，现有2D平面或3D悬浮培养方案存在三大痛点：规模化生产时细胞损失严重(终产物回收率仅6-21%)、批次间差异大、终产品中混杂非目标细胞(如分泌血清素的肠嗜铬细胞)。

生物反应器技术的革新应用
加拿大阿尔伯塔大学团队在《npj Regenerative Medicine》发表研究，开发了基于Vertical Wheel^?(VW)生物反应器的全悬浮培养体系。该团队使用健康人、全胰腺切除和T1D患者来源的诱导多能干细胞(iPSC)，通过六阶段分化方案(包括阿非迪霉素抑制非目标细胞增殖)，在27天内完成从多能干细胞到功能性SC-胰岛的全流程生产。关键技术包括：单细胞RNA测序(scRNA-seq)解析细胞异质性、动态葡萄糖刺激胰岛素分泌(GSIS)评估功能、流式细胞术追踪分化标志物(如PDX1⁺NKX6.1⁺胰腺祖细胞)、以及糖尿病SCID-beige小鼠模型验证治疗效力。

规模化生产的突破性成果
Vertical Wheel^?生物反应器促进胰岛细胞分化并提供规模化产能
将反应器体积从0.1L扩大到0.5L(5倍)时，胰岛当量(IEQ)产量增加12倍至183,002 IEQ，且每百万iPSC的S6阶段细胞产出稳定在0.39-0.41百万。SC-胰岛直径集中分布于54-228μm，锌结合染料双硫腙染色显示典型胰岛素储存颗粒，免疫组化证实含β细胞(胰岛素⁺)、α细胞(胰高血糖素⁺)和δ细胞(生长抑素⁺)。

生物反应器培育的SC-胰岛具备内分泌细胞组成
流式分析显示终产品中63%为成熟β细胞(CPPT⁺NKX6.1⁺ISL1⁺)，肠嗜铬细胞(SLC18A1⁺)仅占6.8%。相较于未成熟S5w2细胞，S6w1阶段β细胞标志物表达提升2倍(29.9%→59.5%)，且单激素细胞占比达48%(胰岛素⁺)和35.5%(胰高血糖素⁺)。

悬浮SC-胰岛展现体外功能潜力
动态灌注实验显示S6w1胰岛对17mM葡萄糖刺激产生3.9-6.1倍胰岛素分泌响应，钾离子 depolarization 反应与成人胰岛相当。转录组分析揭示糖酵解(G6PC2、GCK)和胰岛素分泌通路基因(PCSK1、KCNK3)显著上调。

移植后体内成熟逆转糖尿病
2,500 IEQ肾包膜下移植使糖尿病小鼠45天内血糖恢复正常，16周时葡萄糖刺激的C肽分泌增加3.1倍。移植物血管化良好(CD31⁺)，含26%成熟β细胞且无肿瘤形成迹象。

单细胞转录组揭示成熟特征
scRNA-seq将17,393个细胞注释为β样(36.8%)、α样(22.6%)等13类群体。与成人胰岛相比，β细胞成熟标志物(MAFA、G6PC2)表达相似，但胰岛素双峰分布提示部分细胞仍具胎儿样特征。与Balboa等方案相比，本研究的SC-胰岛显示1466个基因差异表达，但核心β细胞功能基因高度保守。

标准化生产的里程碑意义
该研究首次证实VW^?生物反应器可实现无需物理解聚的SC-胰岛规模化生产，突破现有技术每批次需合并多培养容器的限制。通过阿非迪霉素控制细胞增殖，将非目标细胞比例降至2.23%(Ki67⁺)，远低于常规方案的15%。虽然体外培养的SC-胰岛仍显示部分转录组不成熟，但移植后的快速功能恢复提示体内微环境可补充分化缺陷。这项技术为临床级SC-胰岛生产提供了标准化路径，单0.5L反应器产量即可满足人体移植需求(约百万IEQ)，对推进糖尿病细胞治疗走向产业化具有关键意义。