整理、编辑丨大牛
校对丨暖手
干细胞极强的自我更新能力和多向分化潜能使其可以成为绝佳的种子细胞来源，用于各种疑难疾病的治疗。微胶囊不仅可以为细胞提供三维生长微环境，而且具有良好的免疫隔离性能和生物相容性。微囊化干细胞技术为干细胞大规模、高活性体外培养及长期保存提供了新的技术支持，为细胞移植疗法开辟了新途径。
干细胞的这些生物学特性，使其可作为种子细胞用于治疗各种疾病，解决当今细胞移植所面临的供体不足问题。微胶囊是利用天然的或合成的高分子材料作为囊膜壁壳，将药物、生物活性物质或活细胞包裹在内的一种球状微型容器。微囊化使得酶等生物大分子和细胞不能从微囊中逸出，而小分子的物质、培养基的营养物质可以自由出入半透膜，达到催化或培养的目的。微囊化除了可为干细胞生长提供良好的三维微环境，保证干细胞的体外大规模培养外，还可利用选择透过性膜将移植物与宿主免疫系统隔离，有效地避免异体移植过程中的免疫排斥反应。微囊化干细胞技术已成为目前细胞移植的热点，具有广阔的应用前景。
微囊化细胞发展
1964 年，加拿大学者Chang等首次提出人工细胞的概念，即将活细胞用具有良好生物相容性的半透膜包裹形成微胶囊。1980 年，Lim和Sun用海藻酸钠-多聚赖氨酸-海藻酸钠 (Alginate-polylysine-alginate，APA) 微囊包埋大鼠胰岛治疗实验性糖尿病，标志着微囊化细胞移植技术的确立。此后，各国学者对微囊化组织细胞移植技术进行了广泛研究，主要集中于胰岛、肾上腺髓质嗜铬细胞、肝细胞、甲状旁腺细胞、甲状腺细胞等 [5] 。近年来，被医学界称为“万用细胞”的干细胞，因其具有自我复制能力和极强的可塑性等特点，受到了广泛关注，并且干细胞的增殖和分化与其所处的微环境密切相关。因此，随着干细胞研究的升温，微囊化干细胞技术的研究也逐渐深入。2001年，Magyar等首次成功应用海藻酸盐微囊化小鼠胚胎干细胞大量扩增拟胚体。
根据微胶囊性质、囊壁形成的机制和成囊条件，微囊的制备方法可分为物理法、化学法、物理化学法。而微囊化干细胞的方法主要采用气流喷射法和高压静电法，气流喷射法是将细胞-海藻酸钠混悬液置于注射器中，在一定气压下，使其经适宜的针头流出时被同方向的气体吹落，滴入氯化钡或氯化钙溶液中反应形成凝胶，此法工艺较为简便，但制备的微囊粒径较大，表面光滑圆整度不高；高压静电法原理是使带负电的阴离子型聚合物与带正电的阳离子型聚合物通过静电相互作用形成微囊，制备出的微囊粒径较小，机械强度高且微囊表面光滑圆整，不易引起细胞增生和纤维母细胞聚积，多用于实验研究。
微囊的免疫隔离作用
包裹细胞的微囊膜具有选择通透性，该膜对各种免疫细胞、免疫球蛋白分子和补体蛋白具有良好的隔离作用。细胞微囊化可排除细胞移植中出现的宿主与移植物之间的双向排斥作用，从而使能分泌生物活性物质的细胞在移植后得以存活。
在同种移植中，微囊提供的物理隔离有效防止囊内细胞和宿主免疫细胞之间的直接接触，使移植物存活。张梅等对海藻酸钠/氯化钡微囊在大鼠同种异体胰岛移植中免疫隔离效应研究表明，微囊化胰岛移植组与游离胰岛移植组相比，糖尿病大鼠胰岛平均存活时间明显延长，在移植48~72 h后，糖尿病大鼠的降血糖功能有明显增强。异种移植时，微囊能防止抗体和补体片段的接触，延长移植物寿命。Vériter 等研究表明包埋猪胰岛微胶囊植入大鼠皮下无免疫和炎症反应发生，且胰岛在无免疫抑制剂的作用下能存活并维持其细胞功能达60 d。
微囊化成体干细胞
成体干细胞存在于各种组织的特定位置上，是一类成熟较慢但能自我维持增殖的未分化的细胞，成体干细胞是一种多能干细胞，可以分化转变为该器官内任何类型的细胞。与胚胎干细胞相比，成体干细胞具有来源丰富、取材简便、易分离纯化、且可自体移植、克服伦理道德问题等优点，但其增殖能力有限，可作为细胞移植疗法的备选材料。目前已成功微囊化的成体干细胞的种类繁多，包括间充质干细胞 (Mesenchymal stem cells，MSCs)、造血干细胞、牙髓质干细胞、神经干细胞等。Chan等报道采用胶原蛋白微囊包裹人MSCs，添加不同生长因子的诱导培养基在体外分别诱导微囊化人 MSCs 向成骨细胞、脂肪细胞、软骨细胞分化，免疫组化染色方法检测到微囊化的人 MSCs 能表达各种诱导分化细胞的标志性蛋白，植入小鼠体内微囊化人 MSCs 仍保持细胞活力。表明微囊化的 MSCs 仍具有多向分化潜能，可用于临床组织修复。
BMSCs在骨、软骨和肌腱损伤的修复方面研究较深入，如上所述植入微囊化 BMSCs 可促进成骨和软骨的形成，但在向肝细胞诱导分化的条件和机制的研究刚刚起步。Liu等把裸MSCs 细胞、微囊化 MSCs 植入被切除 90％肝脏的小鼠体内，14 d后发现小鼠存活率分别为 25％和 91％。不同于裸细胞，移植后的微囊化 MSCs 可以长期生长，且它们分泌的肝营养因子能进入肝脏促进肝再生，随培养时间增加，MSCs 会向肝实质细胞样细胞转化，表明微囊化MSCs的分化与其移植部位和生长环境相关。
微囊化基因工程干细胞
随着转基因技术的迅速发展，人们开始尝试以微囊作为转基因干细胞的免疫隔离和运载工具，利用基因重组干细胞产生的特定的代谢产物来调节机体生理功能，治疗相关疾病。Ding等报道 APA 微囊包裹转骨形态发生蛋白-2基因 (BMP-2)转染的MSCs细胞，结果表明微囊化转基因干细胞生长良好，能持续分泌 BMP-2蛋白并促进干细胞向成骨细胞分化，将转 BMP-2 基因的 MSCs 细胞移植入宿主体内，可用于治疗骨折和骨缺损等。Babister 等将转 Sox-9 基因的人间质祖细胞，用微囊包裹后移植入宿主体内，可以促进软骨结构的形成，预示其有用于治疗骨折和骨缺损等疾病的前景。
微囊化原理示意图
共微囊化模式研究
干细胞分化的特异性是其自身特性和微环境共同作用的结果，移植的干细胞在局部微环境中能重新编程，分化成与其周围细胞生物学特性相似的细胞。共微囊化则可以利用其他细胞分泌的细胞因子促进干细胞分化，增加细胞间信号传导。科研人员将共微囊化BMSCs和肝细胞植入小鼠体内，研究结果显示，干细胞的存在可以延长肝细胞的存活时间并且提高肝细胞的功能，降低受试小鼠体内的氨浓度及血胆红素水平。对BMSCs 和肝细胞进行共微囊化研究，体外实验表明共微囊化组比单独微囊化肝细胞组的肝细胞存活率增加，白蛋白和尿素分泌功能明显增强，体内实验表明共微囊化组对小鼠急性肝衰竭具有更显著的治疗作用。
微囊化干细胞技术利用微胶囊包埋各种类型的干细胞，拓宽了微囊化人工细胞技术包埋细胞的类型。微胶囊具有的选择性生物半透膜能保护干细胞免受各种免疫反应的干扰，并且抵抗外来的机械力及摩擦力等，给干细胞的生长提供了良好的生存微环境。干细胞的极强自我更新和多向分化潜能特征使其可以广泛地应用于各种难治性疾病的治疗，微囊化干细胞技术为干细胞体外高活性、大规模培养及长期保存提供了新的技术支持，可为细胞移植提供来源广泛、价格低廉的种子细胞，将在医学领域具有广阔的应用空间。
延伸阅读
源自：CCTV-科技博览《细胞移植可医顽症》
http://www.cctv.com/life/review/neirong/200010/1029.html
人体器官移植是医学进步的重要标志，而细胞水平的移植更具有应用前景。今天，科学家们已成功地将小于1毫米的微囊化细胞移植给小鼠治愈了糖尿病，移植到猴子颅内治好了帕金森氏症，采用同样的手段治疗人的疾病即将成为现实。 人类疾病是健康的大敌，近年来糖尿病、帕金森氏症等神经性内分泌疾病的发病率急剧上升。我国目前有3000多万糖尿病患者。这些疾病是由于肌体内某种细胞坏死而引起的，却难于治愈，病人只能靠终身服用激素类药物维持生命，如：糖尿病人注射胰岛素，帕金森氏症病人服用多巴胺。病人长期服用这些药物容易诱发抗药性而失去治疗效果，同时也无法控制血脂、血压及动脉硬化等并发症。
随着现代生物、材料及膜技术的发展，细胞水平的移植治疗技术引起了世界科学家的关注。
中国科学院大连化学物理研究所研究员马小军与同伴经过十几年的研究、试验，在微囊化细胞移植治疗糖尿病和帕金森氏症方面取得了可喜的成果。细胞移植治疗技术在应用临床前有两个关键问题需要解决，一是如何获得可用于治疗疾病的细胞，二是如何避免移植细胞被人体免疫体系破坏，也就是免疫排斥问题。 我国有丰富的海产品，得天独厚的自然资源为研究生物技术创造条件。而制备微胶囊的材料要有良好的生物相容性及化学反应活性。经过筛选，海带中的海藻酸纳和虾、蟹壳中的壳聚糖，这两种材料靠电荷吸引形成网状结构具有良好的生物相容性与免疫隔离性。使用这两种材料制成0.2-0.4毫米的微胶囊，注入小白鼠体内。人们用眼睛难于看清楚的微胶囊细胞我们将期放大。
注入微胶囊的小白鼠蹦蹦跳跳。经过一年、二年，科研人员再剖开小白鼠的腹腔，发现移植后的微胶囊仍然完好如初，在体内起到了免疫保护作用。微胶囊的膜是多孔性的，由于孔径大小可以调控，对不同性质的物质透过也具有选择性。它可以把对微胶囊细胞有杀伤作用的淋巴细胞和巨噬细胞等阻隔在微胶囊外，而准许细胞生存所需的营养物质进入，同时从微胶囊细胞中分泌出药用物质对疾病起到治疗作用。试验证明移植后的细胞在患者体内可长期存活。
这是一对亲兄弟，科研人员把它们变成糖尿病患者，给“哥哥”注射胰岛素，给“弟弟”进行微囊化胰岛细胞移植，出现两种不同的结果，证明细胞移植的效果远好于药物治疗。我国科学家与加拿大科学家合作成功地进行了世界第一例自发性糖尿病猴的微囊化胰岛细胞移植试验，取得了很好的疗效。猴的血糖水平控制在正常范围达804天，其它并发症如：眼、肾、血脂等也得到很好纠正。值得称赞的是我国科学家在帕金森氏症猴的试验中也同样获得成功。以此类推，把能分泌其他药用物质的细胞放在微胶囊内移植病人体内，可根据人体的需要释放药用物质，起到治疗作用。
