干细胞是一种具有自我更新和分化能力的细胞，来源于胚胎、成体组织以及诱导多能干细胞等多种途径，可以分化为不同类型的细胞并修复受损组织。
图1 干细胞的介绍及种类
干细胞技术的临床应用始于1968年，世界上第一例骨髓移植治疗了一位重症联合免疫缺陷患者，从而开启再生医学的应用之门。经过半个世纪多项重要技术的突破，如今，干细胞研发在全球掀起了一阵热潮。细胞培养是干细胞临床应用的关键技术，新的研究成果层出不穷，助力加速干细胞的应用，最终造福人类。
例如，在国内，来自中国战略支援部队特色医学中心的张荣等人，研究微重力如何影响细胞的增殖、分化、凋亡等过程，以及细胞代谢途径的变化。通过设计和开发适合太空微重力环境的细胞培养装置，确保细胞在太空中的生存和生长条件，来研究分析微重力对细胞基因表达和蛋白质合成的影响，探索太空环境对细胞功能的调控机制。研究在微重力下细胞信号转导通路的变化，了解细胞对外界刺激的响应。
在国外，来自海德堡大学等机构的科学家们通过研究发现，青鳉（medaka）和斑马鱼的干细胞能在受控的实验条件下形成高度组织化的神经结构，研究人员希望能够深入理解机体视网膜发育的基本机制，从而研究相关疾病的起源并帮助开发新型的疗法（图2）。
图2 一篇发表在国际杂志eLife上题为“Fish primary embryonic pluripotent cells assemble into retinal tissue mirroring in vivo early eye development”的研究论文
图3 青鳉鱼初级多潜能细胞衍生的聚集物的生成
图4 斑马鱼囊胚来源的原代胚胎多能细胞形成视网膜类器官
来自日本的研究团队，研发出一种模拟生殖环境系统，该系统可以使小鼠多能干细胞重建卵巢体细胞环境，该研究团队通过在不同时间点提供不同的信息分子，诱导雌性小鼠的胚胎干细胞逐步分化，最终产生了大量与卵巢体细胞类似的胚胎卵巢体细胞样细胞（FOSLCs）。
干细胞培养是一项复杂而又具有挑战性的科研工作，其成功与否取决于多个关键因素的协同作用。在干细胞培养过程中，有许多因素会影响到细胞的生长、分化和稳定性，因此科研人员需要对这些关键因素进行深入的研究和掌握，以确保干细胞培养的成功。
培养基
培养基是干细胞培养中最重要的因素之一。培养基包括营养物质、生长因子、细胞因子等成分，可以为干细胞提供生长和分化所需的环境。不同类型的干细胞需要不同的培养基，因此选择合适的培养基对于干细胞培养至关重要。
图5 培养基优化在干细胞工程中的重要性
研究人员在探究并了解培养成分的作用将有助于开发适当的条件，以促进干细胞的大规模、质量控制的扩增，从而增加其潜在应用。大多数市售和内部培养基都含有不同浓度的昂贵重组生长因子蛋白，例如：成纤维细胞生长因子（FGF）、TGFβ超家族（包括TGFβ蛋白、激活素、淋巴结、骨形态发生蛋白（BMP）以及生长和分化因子（GDF）等）及Wnt通路相关蛋白（比如，通过抑制糖原合酶激酶-3（GSK-3）或在培养基中添加重组Wnt3a来激活Wnt促进了紧凑、未分化的ESCs的生长）。最早的血清替代品是专有的敲除血清替代物（KSR）。有研究表明，与含血清培养基相比，在20%KSR存在下，hESCs的克隆效率提高了几倍，并且由含血清培养基培养的干细胞可以很容易地过渡到含KSR的培养基中继续培养，而不会影响自我更新能力或多能性。
培养基的pH值是维持干细胞增值生长及分化的重要因素。pH值可以主动或被动地影响多种细胞性状，例如运动性、酶活性、细胞周期和细胞凋亡。它还通过细胞骨架成分的变化影响细胞运动。
消化酶
在干细胞培养中，消化酶的应用是一个非常重要的技术。消化酶是一类能够将蛋白质、碳水化合物和脂肪等大分子物质分解成小分子物质的酶类。消化酶的应用可以帮助我们更有效地分离和培养细胞，促进细胞生长和增殖，提高细胞培养的成功率和效率。首先，消化酶在细胞培养中的应用可以帮助我们更好地分离细胞。其次，消化酶可以帮助我们将培养基中的大分子物质分解成小分子物质，使细胞更容易吸收和利用这些营养物质，从而促进干细胞的生长和增殖。
培养环境
其他因素，比如细胞密度、温度、湿度、气体环境、渗透压等环境因素也会影响干细胞的培养。干细胞对于环境的要求比较严格，需要在恒定的温度和湿度下培养，同时还需要适当的气体环境来提供氧气和二氧化碳。因此，在进行干细胞培养时，需要对环境因素进行严格控制，以确保干细胞的正常生长和分化。
与扁平的2D培养物相比，3D培养中具有多个孔的微珠可为细胞粘附和气体扩散提供了更大的表面积，在旋转瓶或锥形瓶中进行三维或悬浮培养可大量扩增干细胞。
一般来说，干细胞在正常大气氧气中培养（21%），但一些研究表明，模拟生理氧水平（4%）可通过减少其自发分化上调已知支持干细胞多能性的基因表达水平，这些可能对干细胞的增值更加有益，这表明干细胞中的存在一些对氧敏感的转录程序。还有报道，低氧压（2%）可增强ESCs克隆回收率并降低自发染色体畸变的频率，而多能标志物表达没有任何显著变化。最近的一项研究报道，缺氧确实会影响培养物中的细胞命运决定，因为仅2%的氧气就可以重新激活干细胞衍生的分化细胞中ESCs标志物的表达。
从天然培养基到无血清培养基、从2D培养到3D培养、从手工培养到自动化培养，干细胞培养技术正在从空间、时间、环境等各个因素去提升细胞质量，为干细胞的各种应用奠定坚实基础。中科睿极基于19年的干细胞与再生医学临床转化研究成果，倾力打造DASEA®（“达曦 ”）生物智造平台。DASEA®生物智造平台已完全“自主研发”并“规模化量产”20多款产品，获批授权专利及软著49项，获得中美药监资质18项，成为中国唯一、国际领先的实现干细胞三维培养生态闭环的生物智造平台。
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干细胞研究意义及一些临床成果的展示
干细胞不仅在医学上具有巨大的临床应用潜力，还有助于对生物学和发育过程的深入理解。
首先，干细胞研究对于治疗各种疾病具有巨大的潜力。例如，干细胞移植可以帮助恢复受损的组织和器官，为一些患者带来新的治疗希望。此外，干细胞还可以用于药物研发和毒理学研究，有助于开发更有效和安全的药物（图5）。
图6 干细胞用于疾病治疗及其治疗方法
其次，干细胞研究有助于深入理解生物学和发育过程。通过研究干细胞的自我更新和分化机制，科学家们可以揭示细胞命运决定的机制，揭示疾病发生的原因，并为疾病的治疗提供新的思路。此外，干细胞研究还有助于揭示人类发育的奥秘，为生殖医学和遗传学的发展提供重要参考。
例如，有研究团队探讨了自体脂肪间充质干细胞（ADMSC）对膝骨关节炎疼痛、功能及疾病改善的作用。通过为期12周的前瞻性、双盲、随机、分组研究，结果显示，在12个月的随访完成时，接受ADMSCs的两个治疗组均显示出临床显著的疼痛和功能改善。结果表明，自体ADMSC治疗膝骨关节炎是一种安全有效的治疗方法，可能具有阻止疾病进展的潜力。
最近，有研究团队探究了人脊髓来源的神经干细胞（NSI-566）移植治疗慢性脊髓损伤（SCI）的可行性和安全性。研究结果验证了将NSI-566移植到SCI部位的安全性。
参考：
[1].Dakhore, S., B. Nayer and K. Hasegawa, Human Pluripotent Stem Cell Culture: Current Status, Challenges, and Advancement. Stem cells international, 2018. 2018: p. 7396905.
[2].Freitag, J., et al., Adipose-derived mesenchymal stem cell therapy in the treatment of knee osteoarthritis: a randomized controlled trial. Regenerative medicine, 2019. 14(3): p. 213-230.
[3].Curtis, E., et al., A First-in-Human, Phase I Study of Neural Stem Cell Transplantation for Chronic Spinal Cord Injury. Cell stem cell, 2018. 22(6): p. 941-950.e6.
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