《Nature》子刊:多能干细胞大规模应用的终极痛点或...

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引言
近日，Nature旗下的最新一期国际期刊《自然-生物医学工程》在线发表了一篇重磅文章，一组科学家团队开发出一款能够大幅降低10倍成本的廉价多能干细胞培养基，这款培养基无需生长因子就能够有效地培养多能干细胞，或为多能干细胞的大规模应用铺平道路。
如今，生物医学领域的三大最热门板块是什么？恐怕非干细胞、免疫治疗以及基因编辑这三个莫属。这三大领域发展异常迅速，吸引了科学界、产业界的广泛重视，在未来也有无限前景可以期待。然而，它们的进一步发展及应用，也各有各的痛点，各有各的短板。干细胞大规模应用最大的痛点是什么？培养干细胞的成本昂贵必然是其中之一！另外，培养出来的干细胞的批次的稳定性这也至关重要！这都涉及到干细胞的培养基。

▲研究者们发表的相关文章（图片来自Nature）因此，许多科学家一直致力于解决干细胞的培养相关问题，其中，开发干细胞的化学成分限定的培养基（chemically defined）一直都是焦点。近日，Nature旗下的最新一期国际期刊《自然-生物医学工程》在线发表了一篇重磅文章，一组来自日本的科学家团队开发出一款能够大幅降低10倍成本的廉价多能干细胞培养基，这款培养基无需生长因子就能够有效地培养多能干细胞，或为多能干细胞的大规模应用铺平道路。

▶诱导多能干细胞◀日本人在诱导多能干细胞领域一时风光无两！可能最主要得益于山中伸弥（Shinya Yamanaka）在拥有巨大想象空间的诱导多能干细胞（induced pluripotent stem cell，iPS）获得的巨大成功，他在2006年首次采用几个转录因子（OCT4、KLF4、SOX2以及c-Myc等）成功将小鼠皮肤细胞（成纤维细胞fibroblast）转变成具有胚胎干细胞特性的细胞，叫做诱导多能干细胞，从此一举成名。2007年，他领导的团队又是首次获得人的诱导多能干细胞。2012年，他就因此与英国科学家约翰戈登分享了诺贝尔医学奖。碰巧的是，我国作家莫言则独自得了2012年的诺贝尔文学奖。

▲莫言获得诺贝尔文学奖（中），山中伸弥（左）如今，制备这样的干细胞已经不存在什么难度。各国科学家都在致力于这一强大干细胞技术的应用。我国在这一领域也处于前面，然而，在临床实验方面似乎还没有有效地开展，而日本人则在去年开展了第一个iPS临床实验，用以治疗眼睛疾病。因此，我国还需要在这方面加快速度，尤其是审批进程还要加速。而日本人也在近年来笼罩在震惊世界的小保方晴子造假事件的浓厚的雾霾之中，即便是最近，山中伸弥也因手下研究人员数据造假而陷入阴霾。

▲山中伸弥因手下研究人员数据造假公开道歉（左）然而，无论如何，目前，iPS细胞在体外已经能够分化成许多细胞，比如心肌细胞、肝脏细胞、皮肤细胞、神经细胞、血液细胞等等，显示出了巨大的治疗疾病的前景。另外，在药物筛选领域的也具有重要的作用。尽管如此，iPS仍然有几个问题没有有效解决，一个是iPS可能导致肿瘤的风险；二是iPS分化成其他细胞的效率还需进一步提高；三就是大规模培养iPS细胞的高昂成本还需进一步降低。
▶降低10倍成本◀而这正是这一组来自日本的科学家要解决的问题。研究者们在前期大量研究工作之上，筛选了大量的GSK3β、DYRK等等蛋白的小分子化合物抑制子，最终获得几种能够联合使用并能够阻止多能干细胞分化，促进其增殖，保持其干性的化合物组合，从而开发出一款名叫AKIT的多能干细胞培养基。

▲这张表格可以说是这篇文章最重要的精华了，显示了培养基的组成，其中，E8培养基为一款商业化的效果良好的常规培养胚胎干细胞和iPS细胞的培养基，而研究者们新开发的培养基叫做AKIT，可以看到，E8的价格是89460日元（每升），而新培养基AKIT的价格是8043日元（每升），足足降了10倍众所周知，由于复杂的纯化工艺及容易失活等特点，蛋白质分子的价格往往昂贵，而小分子化合物则不一样，得益于现代合成化学的巨大进步，其价格往往较低，若是采用小分子化合物替代蛋白质来开发培养基，自然会让价格大幅降低。确实，研究者们采用这一策略之后，价格由此前的约9万日元/升下降到约8千日元/升，成本下降了十几倍。

这里值得注意的是，E8培养基也是一款优秀的胚胎干细胞及诱导多能干细胞培养基，由世界干细胞权威、第一位分离培养人类胚胎干细胞的大牛James Thomson教授团队开发。
▶培养效果良好◀培养基就一定要看培养细胞的效果！一款好的干细胞培养基如何衡量？一看能不能比原来的培养基更能促进干细胞增殖；二看能不能维持干细胞的干性，别促进干细胞增殖的同时也让干细胞迅速分化，这样的培养基是不行的；三看成本，物美价廉，谁不喜欢？

▲这张图显示，研究者们开发的新型培养基（AKIT，红线）在促进胚胎干细胞（KhES-1、H9及H1）和诱导多能干细胞（253G1及201B7）增殖方面的效果与E8培养基类似（蓝色线），均优于传统培养基（黑色线）（图片改编自Nature）利用这款培养基AKIT以及E8培养基和传统培养基来培养胚胎干细胞（KhES-1、H9及H1）和诱导多能干细胞（253G1及201B7）进行比较，在促进多能干细胞增殖方面，AKIT还是表现出色，尽管稍微逊色于E8培养基，然而比传统的培养基已经好了不少。而AKIT培养基也能够维持多能干细胞的正常克隆形态，没有导致其分化。

▲采用AKIT培养中的胚胎干细胞（KhES-1、H9）和诱导多能干细胞253G1（图片来自Nature）当然，研究者们还进一步比较了使用AKIT培养基培养的多能干细胞的干性维持及分化，发现AKIT能够有效地维持多能干细胞的干性，在扩增的同时能够防止其分化。不得不说，综合各方面来看，AKIT都是一款优秀的多能干细胞培养基，能够为多能干细胞的大规模培养及应用大幅降低成本，并且能够使多能干细胞的培养工艺稳定。而嗅觉灵敏如你，是不是已经有“拿来主义”的冲动了呢？何不在实验室试一试看？



参考资料：
1.Chemically defined and growth-factor-freeculture system for the expansion and derivation of human pluripotent stem cells.2018.2.https://www.nature.com/articles/s41551-018-0209-y