小型生物反应器工程表征助力大规模人诱导多能干细胞生产的突破

这篇研究通过工程表征方法，测定搅拌式生物反应器（STB）的叶轮功率数（NP=0.5），并基于恒定单位体积功率输入（P/V=4.6 W/m3）的放大标准，成功将人诱导多能干细胞（hiPSC）扩增工艺从0.2 L规模转移至2 L单次使用生物反应器（SUB），同时保持细胞增殖、代谢活性和多能性表型（TRA-1-60/SSEA-4阳性率>90%），为细胞治疗规模化生产提供了关键技术支持。

　　

摘要

人诱导多能干细胞（hiPSC）因其持续增殖和分化为人体各类细胞的潜力，成为细胞治疗的核心资源。然而，规模化生产需解决剪切应力对细胞活性的影响（>0.5 Pa可导致凋亡或分化）。本研究通过测定0.2 L DASGIP-STB的叶轮功率数（N_P=0.5），并基于恒定P/V（4.6 W/m³）的放大策略，将hiPSC扩增工艺成功转移至0.2 L BioBLU-STB和2 L Univessel-STB，最终获得8×10⁹细胞，满足单患者10¹⁰细胞剂量的临床需求。

材料与方法

生物反应器配置：对比径向流（DASGIP-STB）与轴向流叶轮（BioBLU-STB）的混合特性，采用双指示剂系统（DISMT）测定混合时间（t_M），以Cytodex 3和Hillex微载体模拟细胞聚集体评估悬浮均一性（H_max）。hiPSC在灌注模式下培养，通过重力控制维持1.3 day^?1稀释率。

关键参数计算：

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  雷诺数（Re）= ND²ρ_L/μ

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  功率输入（P）= 2πNM

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  平均剪切应力（τ_mean）= 5.33×ρ×√(εν)

结果与讨论

工程表征：DASGIP-STB在湍流区N_P稳定于0.5，而BioBLU-STB因8叶片设计N_P达3.1-3.3。80 rpm下DASGIP-STB的t_M为14秒（对应18转），而BioBLU-STB需29秒（54转），显示轴向流叶轮混合效率较低。

工艺转移与放大：

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  0.2 L规模：BioBLU-STB在110 rpm（P/V=4.6 W/m³）下，hiPSC扩增倍数与DASGIP-STB无显著差异（p>0.05），且多能性标志物表达一致（SSEA-4阳性率>95%）。

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  2 L规模：Univessel-STB在149 rpm下实现同等P/V，细胞产量达8×10⁹，葡萄糖消耗率（q_GLC）为0.52 μmol/(10⁶细胞·小时)，乳酸转化率（Y_LAC/GLC）1.64。

表型验证：EB自发分化为三胚层细胞（α-SMA⁺中胚层、FOXA2⁺内胚层、β-III微管蛋白⁺外胚层），证实扩增后细胞保持多向分化潜能。

结论

通过P/V恒定策略实现hiPSC工艺从0.2 L至2 L的线性放大，为临床级生产提供可重复的工程解决方案。未来可结合计算流体动力学（CFD）进一步优化剪切敏感型细胞的规模化培养。