红细胞（RBCs），又称erythrocytes，是最丰富的血液细胞类型，是将氧气从肺部运输到组织的主要载体[1]。由于这一基本功能，红细胞输血是各种临床状况中的常见治疗手段，包括创伤、产科出血和儿童贫血[2]。然而，这种方法受到储备库存不足和输血传播感染的潜在风险等方面的限制[3]。为应对这些挑战，必须探索能够产生红细胞的替代来源。
干细胞是原始的未分化细胞，能够进行有丝分裂并分化为各种特化细胞；它们还可通过自我更新传播更多的干细胞[[4], [5], [6], [7], [8]]。源自骨髓、外周血和脐带血（CB）的造血干细胞（HSC）具有多能性和自我更新能力。作为所有血液和免疫细胞的基本前体，HSC在造血和免疫系统中发挥着关键作用[[9], [10], [11], [12]]。它们还可分化为红细胞[[13], [14], [15]]。因此，体外大规模生产红细胞对于基础研究和临床用途具有重要意义。
红细胞的生成是HSC经历增殖和分化以产生成熟红细胞的过过程[16]。多种表面分子，包括CD34、CD36、CD71和糖蛋白A（Gly-A，又称CD235a），作为显著的标志物用于识别红细胞生成的不同阶段[17]。CD34主要表达于HSC上，并随着红细胞生成的进行而降低。此外，CD71和Gly-A在成熟红细胞上高度表达[18]。CD36是红系祖细胞的重要标志物[19,20]。此外，红细胞生成受到四个关键转录因子动态网络的严格调控：GATA-1、GATA-2、NF-E2和KLF1。GATA-2（又称NF-E1）在HSC中高表达，并随着分化的进行而降低。然而，在红系分化过程中，GATA-1、NF-E2和KLF1的表达水平显著增加[21,22]。血红蛋白是红细胞内的主要分子，是红系分化过程中的重要指标。血红蛋白能够高效结合氧分子并促进氧气向组织运输以满足代谢需求[23]。
可以通过使用不同的培养基组合血清、细胞因子和基质细胞在体外生成红细胞，以模拟体内红细胞生成的微环境[13,24]。然而，细胞因子对红细胞生成的影响是复杂的。一种细胞因子可能根据其浓度和其他细胞因子的存在而产生不同的作用。此外，血清和基质细胞存在病毒、支原体和细菌污染的风险。因此，培养系统中血清和基质细胞的存在可能在输注给患者时引发免疫反应[25,26]。为克服这一局限，开发无血清、无基质且细胞因子优化的培养基对于从HSC中大量生成红细胞至关重要。
本研究的目标是开发一种无血清红细胞诱导培养基，能够将HSC分化为大量红细胞。为此，我们利用因子设计和最速上升法确定了有效的细胞因子和血清替代物并优化了其浓度。为增加初始HSC数量，我们在之前的研究中采用了一种在无血清条件下扩增HSC的成熟技术（SF-HSC培养基）[[27], [28], [29], [30]]。在SF-HSC培养基中，不仅CD34+CD133+CD38-细胞，而且集落形成细胞和长期培养起始细胞也得到了高度扩增。重要的是，移植到严重联合免疫缺陷（SCID）小鼠体内的无血清扩增HSC（eHSCs）能够重建造血功能并保持分化为自然杀伤细胞[31]、巨核细胞[32,33]、单核细胞[34,35]和树突状细胞[36]的能力。随后，我们在本研究中开发了一个两步培养过程，包括7天的HSC扩增和21天的红系分化，以产生大量CD71+Gly-A+红细胞。我们的技术有潜力用于生成输血细胞产品及其他红细胞相关应用。
