优化湍流以扩大基于iPS细胞的血小板生产规模

**在最近一次使用诱导多能干细胞（iPS细胞）衍生的巨核细胞扩大血小板生产的努力中，临床应用部门的小松伊东教授及其研究团队通过计算模拟和生物测试，为基于搅拌器的生物反应器设计出了新的变化，以实现大规模、高质量的血小板生产。

iPS细胞衍生的可扩增永生化巨核细胞祖细胞系（imMKCLs）代表了一种可再生手段，用于在体外生产大量血小板以供输血。尽管之前通过使用一个10升的罐式系统并重现具有最佳湍流能量和剪切应力的湍流流动，成功产生了1000亿（10¹¹）个具有功能的iPS细胞衍生的血小板，但为患有血小板减少症和其他血小板疾病的患者持续供应可输注的血小板，真正实现工业化规模的生产仍是必要的。因此，该团队从开发一个50升良好生产规范（GMP）级别、符合美国药典（USP）四级标准的一次性聚乙烯罐以及一个新的电机调节器开始，以实现更大规模的合格血小板生产。

通过计算流体动力学（CFD）分析对50升罐中产生的湍流能量和剪切应力进行计算模拟，研究人员确定了大型系统的最佳运动速度，以模拟先前检查的小型罐内的条件。值得注意的是，尽管速度已优化为产生与小型罐（3升或10升）相似的平均湍流能量和剪切应力，但大型罐始终显示出比测试的小型罐更低的效率。此外，不仅由更高容量的50升罐生产的血小板数量较少，而且质量也较差，并且在通过透射电子显微镜检查时显示出超微结构异常。最终，当研究团队使用体外试验或在体内（止血和循环动力学）对小鼠进行输血后评估其功能时，它们的性能较低。

为了从生物学角度深入了解扩大规模后无法生产高质量血小板的原因，研究团队在不同运动速度下收集血小板生产第3天和第5天的imMKCLs，并通过RNA测序进行分析。主成分分析表明，培养条件极大地改变了imMKCL的基因表达谱。在最佳条件下（对应于小型罐培养）的imMKCLs上调了与血管生成、细胞粘附、细胞骨架、缺氧、血小板功能和TGF-β信号传导相关的基因，而在过高速度下，imMKCLs则上调了与炎症和受损线粒体功能相关的基因，这与产生较少健康血小板的情况一致。

最后，由于很明显扩大规模的血小板生产条件并不理想，研究团队回到起点，并进行了额外的CFD模拟，以确定扩大规模后湍流是否变得非最优。值得注意的是，他们通过此分析发现，在更大的50升罐内存在大量非优化的湍流空间。为了最小化这种不希望的空间（非湍流体积），研究团队模拟了一个三级搅拌器系统，并发现它应该可以减少具有缺陷湍流的体积。然而，这样的系统目前尚未商业化，因此，研究人员开发了一种新的生物反应器系统，以确保细胞和湍流的更均匀分布。构建了一个小型3升系统，该系统如预期所示，高效地生产了高质量的血小板。

尽管还需要进行更多的工作来构建更大规模的系统并测试新的生物反应器设计，但研究团队预计下一次的扩大规模过程将更为顺利，因为新设计没有相同的局限性。