仿生人工骨髓微环境构建：基于生物乳化液技术实现造血干细胞的大规模扩增

为解决造血干细胞(HSC)移植治疗血液疾病面临的细胞来源稀缺难题，伦敦玛丽女王大学(Queen Mary, University of London)团队创新性地开发了基于生物乳化液(bioemulsions)的仿生骨髓微环境(@BMN)三维培养平台。该研究通过模拟骨髓中脂肪细胞密集的机械各向异性结构，结合间充质干细胞(MSC)分泌的基质因子，实现了HSC在保持干性同时33倍扩增，并成功在锥形瓶生物反应器中规模化培养。这项发表于《Biomaterials》的研究为造血干细胞治疗提供了可规模化的新型培养体系。

　　

造血干细胞移植是治疗白血病等血液系统疾病的重要手段，但临床面临两大瓶颈：一是供体来源有限，脐带血或动员外周血中的造血干细胞数量不足；二是体外培养时干细胞易分化丧失干性。传统二维培养体系难以模拟骨髓中脂肪细胞与基质细胞构成的复杂三维微环境，导致扩增效率低下。如何构建既能维持干细胞特性又可规模化的培养系统，成为再生医学领域的重大挑战。

伦敦玛丽女王大学工程学院与生物材料中心的研究团队独辟蹊径，从骨髓特殊的"脂肪细胞-基质"结构获得灵感，开发出基于生物乳化液技术的人工骨髓微环境(@BMN)。该平台利用聚赖氨酸(PLL)纳米片稳定的油相微滴模拟骨髓脂肪细胞，其界面剪切模量呈现与天然骨髓相似的机械各向异性。研究人员通过原子力显微镜纳米压痕、流变学测试等证实，MSCs在该体系培养15天后形成的微组织具有与牛骨髓相近的杨氏模量(约2.3 kPa)。转录组分析显示，@BMN中的MSCs高表达CXCL12(较二维培养提升20倍)和VCAM-1等关键细胞因子，并分泌层粘连蛋白、纤连蛋白等基质成分。

关键技术包括：1) 聚赖氨酸纳米片稳定的生物乳化液制备；2) 牛骨髓与人造微环境的力学性能对比测试；3) 锥形瓶生物反应器的规模化培养；4) 流式细胞术检测CD34⁺/CD38^-/CD90⁺干细胞亚群；5) 集落形成单位(CFU)实验评估多向分化潜能。

【设计仿生人工骨髓微环境】通过冷冻电镜观察到，MSCs在生物乳化液表面形成的微组织结构与天然骨髓高度相似，均呈现脂肪细胞样微滴被细胞外基质网络包裹的特征结构。免疫荧光显示MSCs分泌的纤连蛋白形成典型纳米纤维形态，这与骨髓血管周niche的基质组成一致。

【MSCs表型维持】在@BMN中培养的MSCs保持Nestin表达和CD73/CD90/CD105三重标记阳性率(95.8±2.4%)，并含有leptin受体(LepR⁺)亚群——该群体在天然骨髓中负责维持HSC静息状态。值得注意的是，转录因子EBF3和FOXC1的表达模式与骨髓niche形成相关。

【基质重塑与niche priming】流变测试显示成熟@BMN的剪切储能模量达180±25 Pa，力学性能接近天然骨髓。MSCs通过重塑基质形成纤维网络，并显著上调CXCL12(又称SDF-1α)表达，该因子是HSC归巢的关键趋化因子。免疫染色观察到SCF与CXCL12在HSCs表面的受体结合现象。

【HSPCs扩增与干性维持】共培养14天后，@BMN使CD34⁺细胞扩增2.97倍，较悬浮培养提升33.4倍。流式检测发现长期培养后仍存在CD34⁺/CD38^-/CD45RA^-/CD90⁺的长期造血干细胞(LT-HSC)亚群。CFU实验证实扩增后的细胞保持形成CFU-GEMM等多系集落的能力。

【规模化生物反应器验证】在250 mL锥形瓶反应器中，研究人员成功实现100倍规模放大培养，获得2×10⁶个CD34⁺细胞批次，达到临床移植所需剂量范围(2-8×10⁶ cells/kg)。

这项研究开创性地将生物乳化液技术应用于造血微环境构建，解决了传统培养体系难以兼顾干性维持与规模放大的矛盾。通过精确模拟骨髓的机械各向异性和基质组成，@BMN平台使HSCs在最低细胞因子(仅SCF)条件下实现高效扩增。该技术突破不仅为造血干细胞治疗提供新工具，其"液-液界面培养"理念更为其他组织工程领域带来启示。未来通过整合氧张力调控、小分子化合物等策略，有望进一步提升扩增效率，推动细胞治疗产品的临床转化。