清华杜亚楠：3D微组织工程技术——干细胞微组织新药在再生治疗中的妙用

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干细胞微环境是干细胞赖以生存的基础，对调控干细胞命运具有重要的作用。微组织工程技术就是为干细胞生长定制合适微环境的一门技术。

撰文：杜亚楠、刘伟、鄢晓君（清华大学丨华龛生物）

来源：干细胞者说

清华杜亚楠：3D微组织工程技术——干细胞微组织新药在再生治疗中的妙用

以组织工程和细胞治疗为代表的再生医学是最具发展潜力的生物产业，有望成为医疗健康领域继药物和器械治疗之后的支柱产业。干细胞作为细胞治疗的主角，在器官修复和组织再生中发挥着重要作用，具有广阔的应用前景。

干细胞微环境是干细胞赖以生存的基础，对调控干细胞命运具有重要的作用。3D微组织工程技术具有广阔的临床应用前景，为更进一步了解这项技术、以及其发展现状及未来前景，我们邀请到了清华大学知名专家、同时也是相关课题领头人——杜亚楠教授为我们进行简要的介绍。前两期分别介绍的是：

3D微组织工程技术相关的背景和基础知识
3D微组织工程技术的干细胞规模化制备工艺

本期介绍的是基于3D微组织工程技术再生治疗的转化与应用。

3D干细胞微组织再生治疗目前干细胞临床治疗的手段，主要采取：直接将自体或异体的干细胞通过静脉滴注以及局部原位注射或涂抹等方式移植到受损组织处，实现干细胞再生疗法。针对于原位注射游离干细胞的疾病模型（如关节腔注射、椎间盘注射、牙髓注射、皮下注射、肌内注射等），目前尚存在细胞在病灶区活率低，溢出扩散、功能丧失等问题。

临床数据显示，仅有不到10%的游离干细胞能够真正定植于病灶区发挥疗效，目前采取的措施往往通过高剂量注射游离细胞来解决这一问题，而这提高了细胞制备的成本并带来潜在的安全问题。因此，针对原位注射的疾病模型而言，干细胞再生治疗的有效性与安全性面临着众多挑战。

利用3D干细胞微组织工程技术，研发团队创新性地开发出一种基于干细胞三维微环境技术的干细胞微组织再生治疗新药，升级改进了传统的直接注射游离干细细胞的治疗方案。项目团队首次在国际上提出“干细胞药剂学”这一概念，相关基础研究与学术论文均发表在国际权威期刊[1-5]。

干细胞微组织新药的主要组成部分：包括种子干细胞（细胞药）、干细胞微载体（细胞胶囊）两部分组成。同时，配合3D干细胞微组织“智”造工艺，可实现干细胞微组织新药在体外定制化、自动化、规模化、智能化的生产制备，进而形成具有功能完善的干细胞微组织（借助于胶囊药剂包裹分子药物的理念），最后将干细胞微组织（胶囊药）经局部原位注射于病灶区，使干细胞在体内高效、靶向、定点、安全地完成再生治疗，进而解决针对局部原位注射游离干细胞所带来干细胞在体内病灶区存活率低、存活时间短、易流失扩散等系列问题。

该项干细胞微组织新药中的干细胞微载体亦可根据不同疾病模型的临床需求，通过物理性质和化学性质的调控，定制化设计并开发出针对特定种类干细胞、特定疾病适应症的干细胞微组织新药，实现“精准用药”及“精准治疗”。

清华杜亚楠：3D微组织工程技术——干细胞微组织新药在再生治疗中的妙用

目前3D干细胞微组织新药已在糖尿病足下肢缺血[1]、骨/软骨再生[2]、椎间盘髓核退变[3]、肝纤维化[4]及皮肤损伤[5]等临床前动物模型研究中得到有效验证。

其中通过定制可降解明胶多孔3D微载体胶囊结合脂肪来源间充质干细胞MSC形成MSC 3D微组织，通过局部注射到小鼠严重下肢缺血模型后被证明对于血管新生有极强的促进作用，仅需要相当于传统游离MSC疗法十分之一的细胞用量，就可实现血管和肌肉组织再生，避免截肢[1]。

清华杜亚楠：3D微组织工程技术——干细胞微组织新药在再生治疗中的妙用

通过与海军总医院阮狄克教授团队合作成功实现了微创、安全、高效延缓比格犬的椎间盘髓核组织退变。为了实现对髓核组织长期的力学支持，定制了基于低降解率和低吸附的聚乙二醇PEG多孔微冰胶，作为多孔材料模板装载包裹在海藻酸纳凝胶中的MSC细胞，形成有利于髓核细胞功能维持的可注射3D微环境。核磁和X光检测都表明在半年的治疗周期中，3D微组织较游离细胞注射治疗在促进髓核再生和维持椎间盘高度等方面都有显著增强。与此同时，由于椎间盘是一个高内压的特殊组织，传统游离细胞注射治疗后会沿注射孔道返流于椎间盘外部形成骨赘，产生二次病灶。由于高弹性3D微组织比注射孔道尺度要大，从而防止了细胞返流，避免了骨赘形成，大大提高了治疗的安全性。[3]

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创新性的利用纤维化肝脏特异性高表达内源谷氨酰胺转移酶TGase2这一特性，通过理性设计将TGase2底物多肽序列修饰到常规聚乙二醇3D微载体上，从而定制了能够被病理肝组织表面TGase2特异性识别的新型3D微载体。利用此3D微载体的特异性肝脏粘附实现了MSC的体内靶向性传输，改进了传统游离干细胞疗法的肝脏组织定位以及逆转急性肝纤维化的效果，实现了高效细胞递送和治疗。[4]

清华杜亚楠：3D微组织工程技术——干细胞微组织新药在再生治疗中的妙用

该新型3D干细胞微组织治疗新药的研发，目前正在寻求下游干细胞企业及临床合作伙伴，共同推进临床试验的验证。

3D微组织技术成果转化平台——华龛生物

北京华龛生物科技有限公司由清华大学医学院杜亚楠教授科研团队领衔创立，清华大学参股共建。创始团队均来自国外高校及清华大学的博士研究生，具有多年的生物医药研发与运营管理经验。公司基于自主知识产权的原创性3D微组织工程技术，推出了系列仿生3D细胞技术产品，专注于解决定制化、自动化、规模化、智能化的干细胞培养扩增工艺；致力于研发干细胞3D微组织治疗新药；聚焦于开发3D细胞高通量药物筛选产品，为客户提供创新性的3D细胞技术产品与服务，推动干细胞应用领域与新药研发领域的快速发展。

核心团队

刘伟，华龛生物联合创始人&CEO，清华大学医学院博士、博士后。国家奖学金获得者，北京市优秀毕业生。3D干细胞规模化培养及微组织再生治疗技术的主要发明人，共发表国际知名期刊论文16篇，申请或授权国际专利1项，中国专利20项。清华大学企业家协会青年会员，清华-伯克利创业项目培训结业。曾获得2019年第四届清华校友三创大赛总决赛医疗健康组第1名；2019年全国“互联网+”大学生创业大赛北京赛区一等奖；2019年创业北京大赛三等奖；2018年北京市高校大学生创业大赛一等奖，北京市发明协会发明银奖等。

鄢晓君，华龛生物联合创始人&CTO，新加坡籍，清华大学医学院博士。清华大学启航奖金奖获得者。主要研究领域为细胞三维培养、组织工程及其在病理模型、药物筛选及临床治疗的应用，，共发表国际知名期刊十余篇，申请或授权国际专利1项，中国专利十余项。清华-伯克利全球技术创业项目GTE培训结业、曾获北京市高校创业大赛“一等奖”、第三届东升杯国际创业大赛创业组第1名、第四届清华大学“校长杯”十强、北京市发明协会发明铜奖等。

目前，公司总部坐落在北京市海淀区益园文创基地，拥有600平米的研发中心（标准的细胞室、分子生物学室、材料研发室等）， 2000平米的GMP级生产基地，为干细胞新药系列产品的标准化生产及临床注册申报奠定基础。

公司正在迅速开展干细胞新药3D大规模培养及干细胞微组织新药等系列产品的技术研发、注册申报、临床试验、生产销售等工作。

参考文献：

1. PNAS(2014),111,（37）：13511–13516

2. Scientific Report 7（1）:16709

3. Biomaterials （2015）59：53-65.

4. Biomaterials (2017) 126：1-9

5. Acta Biomaterialia,（2015）25：291–303

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杜亚楠

清华大学医学院终身教授

清华-北大生命联合科学中心研究员

博士生导师

华龛生物首席科学家

国家自然科学基金委优秀青年基金获得者

教育部青年长江学者

北京市自然科学基金委首届杰出青年基金获得者

作为课题负责人，成功获得2017年国家重点研发计划干细胞及转化研究重点专项的支持，成为我国在干细胞大规模扩增领域支持的首个重点研发项目。共发表高影响力SCI论文70余篇，其中以唯一通讯作者身份在Nature Materials, PNAS, Nature Communication, Biomaterials等期刊上发表论文，批准授权专利10余项。