RCCS内微载体大规模肝细胞扩增研究

摘要

肝脏作为代谢器官，其功能是调节机体能量供给、合成多种基本物质、清除毒性物质，在维持全身器官稳态中发挥关键作用。肝脏至少有600多种酶，在临床医学中很少有比肝细胞的广泛坏死更有破坏性。重型肝炎中尤其急性重型肝炎所致暴发性肝功能衰竭（FHF）易引起脑、肾等多器官功能衰竭（MOSF）。FHF常规内科综合治疗尽管监护技术和支持疗法改善，但效果较差、病死率仍在90%左右。当前以原位肝移植（Orthotopic Liver Transplantation，OLT）治疗FHF效果最佳，病死率可降低到20%。但由于供体缺乏、费用昂贵和需长期使用免疫抑制剂等原因的限制，直到目前仍不能普遍应用，尤其在我国进行原位肝移植的病人更少。 肝功能衰竭的内科治疗效果不佳，而肝移植需要复杂技术，且供肝来源稀少。人工肝或生物肝是肝功能衰竭的重要手段，十年来被广泛肝采用目前根据其组成和性质主要可分为三类：1、非生物型，又称物理型，主要通过物理或机械的方法进行治疗，包括血浆置换（plasmaexchange，PE）、胆红素、氨及药物灌流吸附（directhemoperfusion/plasmaabsorption，DHP/PA）、血液滤过（HF）等均属此类。2、生物型，将生物部分，如同种及异种肝细胞与合成材料相结合组成特定的装置，患者的血液或血浆通过该装置进行物质交换和解毒转化等。3、混合型，由生物与非生物型结合组成的具有两者功能的人工肝支持系统。尽管人工肝系统对于降低胆红素等具有确切效果，但是目前的研究结论认为人工肝支持系统对肝功能衰竭的预后改善意义尚不完全清楚。 目的：本研究拟通过对近十年来发表的相关文献尤其近四年的文献进行Meta分析，探讨人工肝支持系统对死亡率的干预效果。 方法： 和检索国内外1970年1月-2008年6月公开发表的人工肝治疗肝功能衰竭的相关论文，提取生存率或出院时临床好转率等可以反映远期预后的资料，以风险比（RR）为效应量进行异质性检验和统计量合计分析。并进行Meta回归分析，探讨影响结论的相关因素 结果： 共有12例研究入选，共包含肝功能衰竭病例304例。治疗组给于人工肝或生物肝联合常规内科治疗。对照组均给于常规内科治疗，总体而言，人工肝支持系统对肝功能衰竭的预后有一定程度的改善（RR值0.65，可信区间0.43-0.96，P值0.03）。对慢性肝功能衰竭患者急性加重患者的预后则改善明显。（RR0.265，可信区间0.103-0.682，P值0.006） 研究结论：人工肝支持治疗对肝功能衰竭的生存率改善轻微，对慢性肝功能衰竭患者急性加重者明显降低死亡率。人工肝支持系统类型影响生存率，生物肝对急性肝衰竭或慢性肝功能衰竭患者急性加重都可以降低死亡率。进一步开发生物肝支持系统是将来的研发方向和重点。 第二部分：旋转生物反应器内微载体肝细胞大规模扩增研究 背景： 肝细胞是BAL的主要生物成分，在BAL中起核心作用，BAL的支持作用主要来源于肝细胞的生物代谢功能。制备一个具有相似功能的生物人工肝需要约200g肝细胞。临床使用的生物反应器内，细胞数量至少应该达到15%的人肝细胞数量，即约109个数量级才有临床意义。大规模培养肝细胞是人工肝领域的一个重要课题。 模拟微重力细胞培养利于3D培养细胞生长，是目前不多的可进行细胞共培养的系统，利于细胞分化，是肝细胞大量扩增，高密度培养的最佳方式之一，并且细胞分化好，细胞活性维持时间长，细胞功能能达到单层细胞培养水平，有望成为人工肝生物反应器内理想的细胞装载模式。 对肝生物反应器的各种因素进行优化，实现肝细胞大规模培养，是肝生物反应器的关键环节，是否具有临床可行性的决定因素。 目的： 探讨RCCS下肝细胞微载体大规模培养的方法，优化培养条件 方法： 本实验探索在旋转生物反应器内应用微载体技术快速扩增肝细胞的方法.将CL-1细胞和HepFMMU应用Cytodex-3微载体在旋转生物反应器（RCCS）内进行动态培养，观测肝细胞的生长情况和细胞代谢率，分析影响培养效率的因素，并予以优化 结果： 肝细胞在Cytodex-3微载体上生长迅速、生长倍增时间缩短，在培养第五天，细胞数量可达最初接种的23倍.细胞的数量在第五天左右达到最高，然后开始下降。功能学检查，倒置显微镜，扫描电镜及MTT均提示细胞功能良好。相对最佳条件为：细胞贴壁期，以静止为主，间断震荡为辅。细胞贴壁后初始速度为5-10RPM/分，随细胞生长增大到15RPM/分。初始细胞浓度为1-5×105/ml。微载体浓度为5mg/ml。 结论：RCCS微载体肝细胞大规模培养是一种可行的细胞快速扩增方法，但对于人工肝庞大的细胞数量和功能需求，应进一步研究，提高细胞培养规模和功能。 第三部分：旋转生物反应器内微载体活体细胞原位示踪荧光显像 背景： 微载体作为一种比较理想的细胞支架广泛被用于贴壁细胞的培养中。一系列新型的微载体如多孔微载体被研发，投入到细胞培养，疫苗生产等。但目前应用的微载体特别是多孔微载体，由于透光性，而难以在细胞培养时采用常规显微镜观察到细胞细胞分布，细胞形态和活力。多孔微载体呈黄褐色，因而不易将细胞同背景区分。支架内生长的细胞也难以观察。常规使用的细胞活力染色剂如台盼兰易将微载体一起染色，降低了区分度。MTT染色的黑色与背景黄褐色的区分度也不高。寻找一种具有良好区分度，便于随时观察活体细胞的示踪方法具有重要实际意义。活体细胞荧光染色已经有成熟的应用的经验。建立一种高分辨率的在线微载体肝细胞示踪方法重要的实用价值。 目的： 探讨微载体细胞培养中活体细胞原位示踪的方法 方法： 采用活细胞核酸染色剂（SYTO13）和溴化乙啶（EB）2种核酸染色剂对微载体生长的细胞进行双重染色，荧光显微镜下通过颜色不同判断细胞的活力状态并计算出活力百分比。以间接活力测定的MTT法同时对肝细胞进行活力的检测，并将结果进行比较。利用图像分析软件计算微载体的细胞生长数量。 结果： SYTO13/EB法可以直接观察到微载体上培养细胞的活力状态，染色时间短，操作简便，并可以定量分析，优于传统的MTT法。 结论：SYTO13/EB法可作为微载体上培养细胞活力状态的常规方法应用。 第四部分：灌注式RCCS肝细胞生物反应器的CFD模拟分析 背景： 通用CFD软件包，用来模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动。由于采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术，因而FLUENT能达到最佳的收敛速度和求解精度。灵活的非结构化网格和基于解的自适应网格技术及成熟的物理模型，使FLUENT在转捩与湍流、传热与相变、化学反应与燃烧、多相流、旋转机械、动/变形网格、噪声、材料加工、燃料电池等方面有广泛应用。FLUENT软件具有以下特点： ①FLUENT软件采用基于完全非结构化网格的有限体积法，而且具有基于网格节点和网格单元的梯度算法； ②定常/非定常流动模拟，而且新增快速非定常模拟功能； FLUENT软件中的动/变形网格技术主要解决边界运动的问题，用户只需指定初始网格和运动壁面的边界条件，余下的网格变化完全由解算器自动生成。网格变形方式有三种：弹簧压缩式、动态铺层式以及局部网格重生式。其局部网格重生式是FLUENT所独有的，而且用途广泛，可用于非结构网格、变形较大问题以及物体运动规律事先不知道而完全由流动所产生的力所决定的问题； FLUENT软件具有强大的网格支持能力，支持界面不连续的网格、混合网格、动/变形网格以及滑动网格等。值得强调的是，FLUENT软件还拥有多种基于解的网格的自适应、动态自适应技术以及动网格与网格动态自适应相结合的技术 目的： 探讨RCCS生物反应器的仿真方法并阐明微载体旋转速度等对氧供的影响 方法： 联立不可压缩牛顿流体连续性方程和动量守恒方程，微载体内以及流动空间中氧的传递和反应方程，设置文献报道的参数并求解。首先以Gambit2.2建立RCCS网格模型，并用Fluent6.02软件在欧拉多相模式下进行生物反应器数值模拟及流体力学分析 结果： 基于欧拉-欧拉多相模型和氧运输公式建立RCCS数值分析模型。微载体的直径及RCCS旋转速度作为自变量。结果显示微载体直径和旋转速度均影响培养效率。直径200mm的微载体旋转速度应为10rpm。300mm的微载体为12 rpm。400mm的微载体为14 rpm；和旋转速度10rpm微载体直径200mm相比，18rpm微载体直径600mm条件下由于对流效应，旋转1小时后RCCS中间区平均氧浓度增加85%。 结论：CFD模拟分析可以定性定量分析影响微载体及氧供的相关因素，并为优化培养条件提供参数以供参考。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一部分人工肝支持系统治疗肝功能衰竭的Meta分析

一.材料和方法

二.结果

三.讨论

四.结论

参考文献

第二部分旋转生物反应器内微载体肝细胞大规模扩增研究

一.材料和方法

二.方法

三.结果

四.讨论

五.结论

参考文献

第三部分在线微载体肝细胞荧光示踪研究

一.材料

1.1主要实验

1.2主要药品和试剂

1.3细胞来源

1.4主要试剂配方

二.方法

三.结果

四.讨论

五.结论

参考文献

第四部分灌注式RCCS肝细胞生物反应器的CFD模拟分析

一.材料和方法

二.结果

三.讨论

四.结论

参考文献

第五部分综述 肝生物反应器关键技术的进展

附 录 英文缩写

攻读学位期间成果

致谢

统计学证明