文章亮点

下文指出一种特定的生物反应器技术可实现产胰岛素的干细胞（SC）衍生胰岛的规模化生产，且可能成为实现异体糖尿病治愈方案的关键。在这项研究中，加拿大阿尔伯塔大学沙皮罗实验室（Shapiro lab）采用 PBS Biotech垂直轮式（Vertical-Wheel）生物反应器，完成了人诱导多能干细胞（iPSCs）的扩增及向功能性干细胞衍生胰岛（SC-islets）的分化。

突破规模化分化的挑战：垂直轮式生物反应器中人iPSC衍生胰岛生产的实践与见解

在扩增阶段，生物应器规模仅从 0.1 L扩大至 0.5 L（扩大 5 倍），但期望尺寸胰岛的总数却增加了 12 倍，同时维持了较窄的尺寸分布。随后，在复杂的多阶段分化过程中，细胞始终保持极低的异质性。研究人员将成熟的干细胞衍生胰岛移植到 15 只糖尿病小鼠体内，两个月后小鼠的糖尿病症状均得到逆转。

垂直轮式生物反应器的独特优势在于，它能为诱导多能干细胞等敏感治疗性细胞创造较适宜的流体动力学环境，并在规模化放大过程中稳定维持这一环境。这使得细胞在扩增阶段实现产量提升，在分化阶段降低异质性，为开发安全有效的生产工艺提供了可靠保障。

文章第一作者尼迪什・达迪奇博士提到：“作为专注于研发人干细胞衍生胰岛以治疗糖尿病的胰岛生物学家，我们发现 PBS 垂直轮式生物反应器对我们的诱导多能干细胞衍生胰岛转化研究很重要，其创新技术确保了细胞产量的一致性与高质量，加速了我们向 GMP 级（药品生产质量管理规范级）细胞生产及临床转化的进程。可靠、可规模化且易用 —— 这些生物反应器是再生医学领域的变革者。”

在新兴的细胞治疗行业中，活细胞是终产品，相较于传统抗体或蛋白质生产，其面临全新且复杂的制造挑战。带有水平搅拌桨或摇摆式混合装置的三维悬浮培养系统，在规模化放大过程中流体动力学环境不稳定且难以预测，这对细胞聚集体或胰岛等大颗粒物的培养尤为不利。

下图改编自另一篇出版物（2021 年博里斯等人（Borys et al.）的研究），通过计算流体动力学（CFD）模拟展示了（A）水平桨式搅拌器与（B）垂直轮式生物反应器在流体混合环境上的差异：

（注：图中速度流线的计算流体动力学模型，左侧采用 COMSOL 软件，右侧采用 ANSYS Fluent 软件；两种流体模拟软件采用相同的建模方法，所用的搅拌速率均足以使细胞聚集体等大颗粒物质完全悬浮。改编自博里斯等人的研究。）

图（A）显示，水平搅拌桨叶端及容器底部存在高速（红色）流线，而在搅拌桨水平面正上方和正下方则存在低速（蓝色）区域。这些速度差异明显的分层区域会使细胞承受巨大的剪切力，并可能 “被困” 在搅拌桨中心平面周围的高速 “涡流区”，或容器顶部与底部的低速 “死区”，最终导致聚集体或胰岛尺寸分布范围扩大。且随着规模放大，为混合更大体积的液体，搅拌桨需提高转速，这一问题会进一步加剧。

相反，在任意规模的垂直轮式生物反应器中，速度流线在整个 U 型容器内形成 “8 字形” 分布，且速度范围相对较窄（图 B）。聚集体或胰岛可在容器内自由移动，不会被困在特定区域，也不会经历速度或剪切力的剧烈变化，最终实现窄范围的尺寸分布。

凭借已证实的流体动力学优势，垂直轮式生物反应器成为本研究作者的first choice（且是only choice）。对于临床应用，研究人员估算，每位患者需约 10 亿个干细胞衍生胰岛细胞才能实现血糖控制不依赖胰岛素。因此，研究团队选择了单一制造系统 —— 该系统既能规模化放大以满足预期剂量需求，又能通过细胞产品有效性与安全性的验证要求。

方法学与结果

本研究开发的方法仅将容器体积扩大 5 倍，却使干细胞衍生胰岛的产量增加了 12 倍。规模化放大效率呈线性增长，且未影响胰岛的结构与形态，从而较大限度减少了批次间差异。研究始终能实现胰岛尺寸的窄范围分布（中位数等于或小于 150 微米的较优直径），同时避免形成不必要的大簇团。

下图为文中总结的已开发的六阶段分化方案

经过 27 天的定向分化，干细胞衍生胰岛的形态与原代胰岛簇相似，且表达人类胰岛激素。随后，研究人员将这些干细胞衍生胰岛移植到 15 只糖尿病小鼠（链脲佐菌素（STZ）诱导糖尿病模型）体内，60 天后实验小鼠的糖尿病症状均完全逆转，血糖控制能力明显改善。

该方法可重复性强且可规模化，能产生大量干细胞衍生胰岛，且细胞形态一致可预测，最终获得用于糖尿病治疗的安全有效治疗性细胞产品。

总之，本研究详细阐述了一套悬浮培养方案，可在 27 天培养周期内可靠、可重复地制造功能性干细胞衍生胰岛。在 0.1 升和 0.5 升规模下，垂直轮式生物反应器在诱导多能干细胞扩增与分化等关键细胞培养过程中展现出的简便性与有效性得到了证实。由于垂直轮式生物反应器的规模化放大具有可预测性，研究作者预计，该方案可适配更大体积的垂直轮式生物反应器，用于临床级干细胞衍生胰岛的生产。详细内容可参看原文章（点击查看）。

推动细胞治疗 “规模化制造” 的关键

垂直轮式反应器的优势不仅限于胰岛生产，其 “温和均匀的流体环境” 对 “敏感细胞”（如间充质干细胞、自然杀伤细胞、光感受器细胞等）的培养均适用，且应用于多种细胞治疗产品的临床试验项目（如移植物抗宿主病、视力修复）：

证明其：

1. 适配不同细胞系的扩增与分化需求；

2. 满足临床级细胞生产的 “可验证性”（如批次间一致性、安全性），为细胞治疗行业提供了 “通用型规模化platform”。

总结

本研究以 “解决干细胞衍生胰岛规模化生产难题” 为目标，通过垂直轮式生物反应器的技术创新，结合标准化的六阶段分化方案，实现了 “效率高、质量稳、可放大” 的胰岛制造。其价值不仅在于推动糖尿病细胞治疗的临床转化，更在于为细胞治疗行业提供了 “敏感细胞规模化培养” 的解决方案，有望成为再生医学领域 “从实验室到病床” 的关键技术支撑。

点击下方链接，阅读PBS反应器相关已发表文献：https://www.pbsbiotech.com/publications