脐带血也能造血？科学家用干细胞造出了“人工血液“

本文深度解读发表于《STEM CELLS TRANSLATIONAL MEDICINE》的重磅研究：苏州方舟生物从脐带血CD34+细胞大规模体外生成人类红细胞。一份脐带血，迄今为止苏州方舟生物核心团队可在实验室产出500个输血单位，有望解决全球血液短缺危机。

血液短缺：一场全球性的医疗危机

你有没有想过，如果有一天医院里没有足够的血液可用，会发生什么？

这不是危言耸听。根据世界卫生组织的数据，全球每年采集约1.08亿份血液，但随着全球生育率持续下降，到2050年，符合献血条件的人口将逐步减少，全球性的血液供应短缺正在逼近。

更不用说输血还存在感染风险、稀有血型难求等问题。传统依赖志愿者献血的模式，正在面临挑战。

于是，科学家们把目光投向了一个方向：能不能在体外"造"出红细胞？

体外造血：从实验室到临床的漫长之路

其实，体外生成红细胞并不是全新概念。过去二十多年里，科学家们已经成功在实验室里从造血干细胞诱导分化出红细胞，甚至在2011年完成了体外培养红细胞的人体输血试验。

但问题一直卡在一个字：量。

临床输血一次需要多少红细胞？一个单位约200毫升，含红细胞数量级在10¹²。而实验室培养的规模远远达不到这个量级。之前的研究虽然能实现百万倍甚至更高的扩增，但大多停留在培养瓶、小体积体系，真正放大到生产规模时，实际产量和理论产量差距很大。

而且很多方法依赖基质细胞共培养，成本高、复杂度高，难以临床转化。

来自苏州方舟生物干细胞核心技术团队依托国家重大新药创制国际科技合作与交流专项（2013DFA30830）支持，在体外规模化制备功能性红细胞这一行业难题上取得关键性突破。

核心技术：四步培养法，让干细胞"变身"红细胞

研究团队开发了一套精密的四步培养方案，用21天时间，把脐带血中的CD34+造血干细胞一步步诱导成成熟的脱核红细胞。

第一步（第0-5天）：干细胞扩增期

刚分离出来的CD34+细胞数量有限，第一步先要让它们，扩增数量。

研究人员在改良的IMDM培养基中加入三种关键细胞因子：SCF（干细胞因子）、FLT3-L（Flt3配体）和TPO（血小板生成素）。5天时间，CD34+细胞扩增了约20倍，同时还能维持干细胞的特性（CD34+比例保持在80%左右）。

第二步（第6-12天）：红系定向分化期

扩增完干细胞，就要引导它们向红细胞方向分化了。

这一步加入了EPO（促红细胞生成素）——这是调控红细胞生成最核心的激素，再配合SCF、IL-3、FLT3L和GM-CSF等细胞因子，推动造血干细胞向红系祖细胞分化。

第三步（第13-18天）：红系增殖成熟期

进入第三步，细胞已经明确了"要当红细胞"的方向，接下来就是大量增殖并逐步成熟。

这一步保留SCF和EPO这两个红系分化的核心因子，再加入适量的IL-3和FLT3-L来促进扩增。细胞数量在这个阶段迎来爆发式增长。

第四步（第19-21天）：终末成熟期

最后一步，要让红细胞真正成熟起来。

这一步做了一个关键的减法：去掉IL-3、去掉FLT3-L、去掉GM-CSF，只保留SCF和EPO。

其他细胞因子会促进多谱系分化，干扰红细胞的终末成熟。去掉它们，既能让红细胞更纯，也提高了安全性。

图 1 脐带血 CD34⁺细胞体外制备人红细胞的培养条件优化

培养系统创新：转瓶培养，真正实现规模化

光有培养配方还不够，要大规模生产，必须解决培养体系的问题。

传统的培养瓶是静态培养，细胞容易黏连、聚团，溶氧水平也不好控制。苏州方舟生物核心技术团队采用了转瓶培养系统（bottle turning device）——瓶子水平放置，以每分钟0.75转的速度缓慢旋转。

这个看似简单的改动，带来了三个关键优势：

• ·溶氧更均匀：旋转让培养基充分接触空气，维持合适的溶解氧水平，而氧浓度是影响造血干细胞分化的关键因素

• ·防止细胞聚团：动态培养避免了细胞黏连结块，每个细胞都能充分接触营养

• ·易于放大：一个定制培养箱可以放16个转瓶，容纳近10升培养基，真正接近生产规模

这也是国际上报道使用转瓶装置来规模化体外造血，苏州方舟生物在这一技术路线上实现了产业化级别的工艺验证。相比小培养瓶里得到的数据，转瓶系统的产量数据对实际大规模生产更有参考价值。

惊人的扩增效果：1个细胞→2亿个红细胞

那么这套系统的实际效果如何？直接上数据：

这意味着什么？

一份脐带血大约含有500万个CD34+细胞。按这个扩增效率计算，一份脐带血可以产出相当于500个临床输血单位的红细胞。

500个单位是什么概念？一个成年人一次输血通常用2-4个单位。一份脐带血，就能满足上百次输血需求。

这个扩增效率和产量，而且培养周期只有21天，比很多同类研究更短。

【下期预告】造出来的红细胞功能正常吗？输入体内安全吗？成本有多高？离真正临床应用还有多远？下期我们将深入解读细胞功能验证、动物实验结果以及这项技术的临床前景，敬请关注！