一、摘要：

1型糖尿病是一種會導致胰腺β細胞破壞的自身免疫性疾病，需要終身胰島素治療。胰島移植提供了一個很有前途的解決方案，但也面臨著諸如可用性有限和需要免疫抑制等挑戰(zhàn)。誘導多能干細胞（iPSCs）為功能性β細胞提供了一個潛在的替代來源，并具有大規(guī)模生產(chǎn)的能力。然而，目前的分化方案，主要是在混合或2D環(huán)境中進行的，缺乏可延展性和懸浮培養(yǎng)的理想條件。

我們研究了一系列可能影響分化過程的生物反應器放大過程參數(shù)。該研究采用了一種優(yōu)化的HD-DoE協(xié)議，該協(xié)議設計具有可擴展性，并在0.5L（PBS-0.5 Mini）垂直輪式生物反應器中實現(xiàn)。

我們開發(fā)了一種三階段的懸浮生長過程，從貼壁培養(yǎng)過渡到懸浮培養(yǎng)，TB2培養(yǎng)基在規(guī)模化過程中支持iPSC的生長。階段性優(yōu)化方法和延長分化時間用于增強iPSC衍生的胰島樣簇的標記物表達和成熟。連續(xù)的生物反應器運行被用于研究營養(yǎng)和生長的限制以及對分化的影響。將連續(xù)生物反應器與對照培養(yǎng)基變化生物反應器進行比較，顯示出代謝變化和更類似b細胞的分化譜。從試驗中收集的低溫保存的聚集物被恢復，恢復后顯示出活力和胰島素分泌能力得到維持，這表明它們具有存儲和未來移植治療的潛力。

本研究表明，階段時間的增加或限制培養(yǎng)基補充以減少乳酸積累可以增加在大規(guī)模懸浮環(huán)境中培養(yǎng)的胰島素合成細胞的分化能力。

二、實驗內容節(jié)選：營養(yǎng)消耗和代謝物的分析

       為了檢測細胞潛在的替代碳源和氮源，我們分析了對照組和連續(xù)生物反應器在整個培養(yǎng)過程中的氨基酸代謝（圖S5A-B）。使用快速培養(yǎng)基氨基酸維生素分析儀Rebel（908 Devices）來分析氨基酸濃度。必需氨基酸，如組氨酸、異亮氨酸、亮氨酸、賴氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、蘇氨酸、色氨酸和纈氨酸在整個培養(yǎng)期間都保持不變。然而，一些氨基酸在兩種培養(yǎng)基中都全部耗盡，包括5天后的L-天冬氨酸和16天后的L-谷氨酸。氨基酸代謝對正常的胰腺β細胞功能至關重要，丙氨酸和谷氨酰胺以其調節(jié)β細胞功能和胰島素分泌的作用而聞名。在培養(yǎng)結束時，谷氨酰胺和丙氨酸的濃度高于新鮮培養(yǎng)基，表明它們不限制生長（圖S5A-B）。然而，它們增加的來源仍然未知，不像之前的觀察而將它們的增加歸因于GlutaMAX™添加劑。與起始培養(yǎng)基相比，丙氨酸和谷氨酰胺水平的升高在對照組生物反應器中沒有觀察到，后者在不同階段之間和整個延長的內分泌誘導階段都有頻繁的培養(yǎng)基變化。兩種生物反應器之間無其他顯著性差異。如前所述，限制培養(yǎng)基補充的生物反應器比對照培養(yǎng)基變化的生物反應器具有更好的分化能力。氨基酸濃度調節(jié)和血清缺乏與促進來自人類干細胞的胰腺β細胞的發(fā)育有關。

       此外，使用FLEX2（Nova Biomedical）對兩種培養(yǎng)結果進行評估，分析兩種反應器的整個培養(yǎng)期間Gln、Glu、NH4+、Na+、K+、Ca++、pH、PCO2和PO2（圖S6A-B）。在連續(xù)生物反應器中，培養(yǎng)基的滲透壓穩(wěn)定增加，但保持在280-320mOsm/kg范圍內。這種增加可以歸因于由營養(yǎng)物質代謝和其他廢物產(chǎn)生的溶質的積累。相比之下，對照培養(yǎng)基的滲透壓變化的生物反應器隨著培養(yǎng)基在細胞分化過程的不同階段被補充而波動。谷氨酰胺和谷氨酸水平也進行了評估，兩者都顯示隨著時間的推移而消耗。這與使用Rebel分析儀進行的測量結果一致。兩種生物反應器在生物分化上具有可比性，除了在連續(xù)生物反應器中pH的持續(xù)下降和預期的耗氧速率方面的主要差異。在反應液中測量的氣體可能會受到收集和測量之間時間的影響，但是，對所有樣品的總體影響是相同的。總體數(shù)據(jù)顯示，在培養(yǎng)10天或PP誘導分化階段后，PO2水平開始穩(wěn)步下降。盡管反應液與兩個生物反應器頂空內的氣體體積相同(500毫升），但與控制培養(yǎng)基補充變化生物反應器相比，進入反應液的氧氣通量可能不足以補充0.5L連續(xù)容器中增加的耗氧量。