间充质干细胞 (MSC) 转化应用的快速增长提高了对高效、可扩展生产系统的需求。这项工作的核心是优化培养基配方，这直接影响 MSC 的扩增、功能性和整体治疗可行性。通过微调培养基成分，企业可以解决扩大生产的关键挑战，确保 MSC 满足临床级应用的严格要求，而不会影响质量或一致性。

媒体优化对扩大规模的重要性

以下部分探讨优化媒体如何影响这些关键领域，推动基于 MSC 的转化应用的成功。

• 对细胞产量和质量的影响

优化的培养基配方直接影响 MSC 的生长率、增殖和活力。高细胞产量对于满足基于 MSC 的疗法的要求至关重要，因为这种疗法通常需要大量的细胞。例如，最近批准的 MSC 疗法 赖安西尔 (remestemcel-L) 为这些要求提供了一个清晰的例子。 

在临床应用中，患者接受静脉输注RYONCIL，剂量为 2 x 10⁶ MSCs/千克 每周两次，连续四周，共输注八次。平均体重 70 公斤的成年人相当于 每次输注 1.12 亿个 MSCs 或大约 8.96亿个MSC 整个治疗过程。 

如此大量的细胞突显出，迫切需要一种能够高效、可扩展地扩增 MSC 并同时保持细胞功能完整性的培养基配方。如果没有优化的培养基，在规定的时间内实现这些细胞产量可能会成为一个重大瓶颈，从而限制大规模治疗应用的可行性。

此外，MSC 的质量仍然至关重要。培养基必须支持功能特性的保存，包括分化潜能、免疫调节作用以及关键标记物（如 CD73、CD90 和 CD105）的表达。这些属性对于确保基于 MSC 的治疗的疗效和安全性至关重要。

• 解决成本效率问题 

扩大 MSC 生产规模需要花费大量成本，尤其是从研究级工艺过渡到临床级工艺时。培养基优化在控制这些费用方面发挥着关键作用，确保大规模 MSC 扩增既可行又方便。 

干细胞疗法，包括基于 MSC 的治疗，可能非常昂贵，费用从 每个疗程 5,000 至 50,000 美元，具体取决于程序的复杂性、监管要求和生产规模。这些成本可能会限制许多患者获得改变生活的疗法，从而阻碍其广泛采用和产生影响。 

优化培养基配方是降低这些成本的关键。企业可以通过最大限度地提高细胞产量并尽量减少对昂贵或冗余成分的依赖来显著降低生产成本。例如，从血清培养基过渡到成分确定的培养基可以提高一致性，同时降低污染和变异风险，从而降低与质量控制和合规性相关的下游成本。 

通过媒体优化优先考虑成本效益，企业可以实现双重目标：保持盈利能力，同时确保更多患者能够受益于基于 MSC 的疗法的转化潜力。 

• 法律合规

MSC 产品的监管要求非常严格，反映出确保治疗应用的安全性、有效性和一致性的迫切需求。培养基组成是这一过程中的重点，因为它直接影响最终 MSC 产品的质量。

优化的培养基配方在满足这些监管标准方面发挥着至关重要的作用。通过精心选择和标准化培养基成分，制造商可以最大限度地减少差异，确保 MSCs 始终符合质量基准。这对于证明批次间的可重复性尤为重要，这是监管提交的一项关键要求。

使用良好生产规范 (GMP) 级培养基可进一步提高合规性，因为培养基符合严格的生产和质量控制标准。此类培养基在受控条件下生产，具有完善的文档记录和可追溯性，确保符合临床级应用的监管要求。

从一开始就将培养基开发与监管要求相一致是确保转化应用成功的关键步骤。在配方阶段解决合规问题有助于最大限度地降低审批过程中出现延误或被拒绝的风险，从而促进从研究到临床应用的更顺利过渡。

MSC 培养基配方中的关键成分

优化 MSC 培养基首先要了解其关键成分及其功能。以下是支持 MSC 生长和增殖的基本元素：

1. 基础媒体
   • 基础培养基提供必需营养物质，包括葡萄糖、氨基酸、维生素和矿物质，这些营养物质对于细胞的存活和生长至关重要。不同实验室通常使用不同配方的基础培养基，例如 DMEM、α-MEM 和 IMDM，每种培养基都具有独特的优势，具体取决于培养的具体要求。虽然基于 α-MEM 的培养基通常被认为是分离和扩增 MSCs 的最佳选择，但基础培养基的理想选择可能因所培养的 MSCs 的具体类型而异。 
   • 在选择基础培养基时，研究人员不仅应考虑其对 MSC 增殖能力的影响，还应考虑其保留其固有特性（如分化潜能和表面标志物表达）的能力。应彻底评估这两个方面，以确保所选基础培养基既支持有效扩增，又支持 MSC 功能的维持。因此，研究人员必须根据其特定的 MSC 培养需求测试和评估这些因素。
2. 血清或血清替代品
   • 胎牛血清 (FBS) 传统上是 MSC 培养基中的关键成分，因为它富含促进细胞生长和扩增的生长因子、激素和其他营养物质。然而，使用 FBS 面临着一些挑战，包括与其动物来源相关的伦理问题、不同批次之间的差异以及临床应用中的监管障碍。这些问题导致人们对替代培养基配方越来越感兴趣，尤其是无血清或成分明确的培养基，它们被认为更一致，更适合大规模临床级生产。 
   • 人血清和人血小板裂解物 (HPL) 已成为 FBS 的主要替代品。来自健康供体的人体血清为 MSC 培养提供了更人性化的环境，并有助于降低动物源成分可能引起的免疫原性反应的风险。HPL 尤其受到广泛关注，成为 FBS 的高效替代品。它富含生长因子、细胞因子和其他对 MSC 增殖和维持至关重要的成分。HPL 的使用已成为开发无异种人源化培养模型的重要一步，这对于确保临床应用的安全性和法规合规性至关重要。
3. 生长因子和补充剂
   • 成纤维细胞生长因子 (FGF) 和血小板衍生生长因子 (PDGF) 等生长因子对 MSC 增殖和分化至关重要。这些因子具有多效性，影响各种生物过程，包括细胞增殖、形态、免疫表型、存活和分化能力。促进生理 细胞/组织 MSCs 的培养仍是活跃的研究领域。 
   • 除了生长因子，MSC 培养基中还通常包含胰岛素、转铁蛋白和硒等其他补充剂。这些成分支持 MSC 代谢、减少氧化应激并提高细胞活力，从而改善整体培养条件。生长因子和补充剂的精确配方对于维持 MSC 功能和确保成功扩增下游应用仍然至关重要。

优化培养基配方

优化培养基配方涉及微调关键成分，以支持细胞的强劲生长、维持功能性并确保可扩展性。实验设计的进步和​​机器学习等创新技术正在改变传统方法，从而实现精确且数据驱动的培养基性能改进。以下部分将深入探讨优化 MSC 培养基以供研究和临床使用的实验策略、关键参数和挑战。

媒体优化的实验设计

优化 MSC 培养基的现代策略侧重于了解碳源、氨基酸、维生素和微量元素等成分之间的复杂相互作用。这些努力平衡了传统方法与尖端创新，以提高效率和可扩展性。

1. 传统方法 

• OFAT（一次一个因素）： 调整各个组件以确定其效果，但这很耗时，而且会忽略变量之间的相互作用。 

• 实验设计（DOE）： 有效优化多达 10 个组件并识别重要因素，但在处理高度复杂的系统时却举步维艰。 

• 响应面方法（RSM）： 通过对变量之间的关系进行建模来改进公式，但可能会过度简化复杂的相互作用。

2. 机器学习 (ML) 创新 

ML 通过管理复杂的数据集并提供传统方法无法实现的预测见解，改变了媒体优化。 

• 主动学习： 关注最具信息量的数据点，减少实验负担，同时提高预测准确性。 

• 梯度提升决策树（GBDT）： 一种可解释的算法，可识别单个培养基成分对细胞生长和活力的影响，提供可操作的见解。

利用主动学习和 GBDT 等 ML 工具可以实现精确、高效的培养基优化，为 MSC 培养和哺乳动物细胞系统的进步奠定基础。  

要监测的关键参数

优化 MSC 培养的培养基配方需要进行全面评估，以确保培养基支持强劲生长、维持细胞健康并保留 MSC 的独特属性。以下是需要评估的关键参数：

• 细胞生长率、活力和群体动态 

培养基性能的一个关键指标是其维持高细胞生长率并保持细胞健康的能力。群体倍增时间 (PDT) 和群体倍增水平 (PDL) 等指标对于评估 MSCs 在多次传代中的增殖能力至关重要。 

• PDT 反映了 MSCs 数量翻倍的速度，是衡量培养基支持快速而健康增殖能力的有效指标。PDT 时间延长可能表明培养基条件不佳或开始衰老。 

• PDL 跟踪细胞分裂的累计次数，对于监测长期培养稳定性至关重要。在不影响细胞质量的情况下维持高 PDL 对于大规模扩增至关重要。 

定期检查早期衰老至关重要，因为衰老细胞会失去再生潜力和分化能力。衰老指标包括形态变化，例如细胞尺寸增大，以及衰老相关标志物（如 β-半乳糖苷酶）的表达。确保培养基支持健康的细胞周期有助于最大限度地减少衰老并确保下游应用的一致结果。

• 表型和对塑料器皿的依从性 

根据 ISCT 标准，MSC 具有成纤维细胞样形态和塑料粘附性的特征。培养基必须使 MSC 能够保持其典型的纺锤形形态，并均匀粘附在标准组织培养塑料器皿上。粘附性丧失或形态改变（如变圆或不规则）可能表示培养基条件不佳或细胞应激。定期用显微镜检查细胞形态和粘附性对于确认培养基适用性至关重要。

• 差异化潜力 

MSCs 的标志性特征之一是其能够分化为成骨、脂肪和软骨谱系。培养基必须在整个扩增过程中保持这种多能性。 

这可以通过诱导分化成这些谱系并使用染色技术（例如，茜素红用于成骨，油红O用于脂肪形成，阿尔新蓝用于软骨形成）或分子检测（例如qPCR或免疫组织化学）评估谱系特异性标记来进行测试。 

损害分化潜力的培养基可能会导致研究或治疗应用的结果不理想，这凸显了维持生理培养环境的重要性。

• MSC 标志物的表达 

遵守 ISCT 指南对 MSC 进行表征至关重要。这些指南要求 MSC 表达 CD73、CD90 和 CD105 等标记，同时缺乏 CD14、CD19、CD34、CD45 和 HLA-DR 等标记。培养基配方应支持这些表面标记在多次传代中稳定表达。

流式细胞术是评估标志物表达和验证细胞是否符合 MSC 的 ISCT 定义的黄金标准。跨代一致的标志物表达表明 MSC 身份和质量得以保留。

MSC 培养基优化的关键挑战及解决方案 

要微调支持高质量、可行 MSC 的配方，必须解决几个挑战。这些挑战源于 MSC 生物学固有的复杂性、供体多变性以及大规模生产的需求。以下是研究人员在优化 MSC 培养基时面临的主要挑战：

• 组件平衡 
  MSC 培养中最大的挑战之一是保持营养物质（包括葡萄糖、氨基酸和维生素）的适当平衡。不平衡会导致乳酸过量产生、细胞呼吸受损和细胞健康受损等问题，从而对下游应用产生负面影响。为了解决这个问题，研究人员可以进行代谢分析来监测营养消耗和废物积累，从而精确调整培养基成分。动态培养基配方与实时监控系统相结合，有助于在培养过程中保持最佳营养水平。此外，使用缓冲剂可以减轻乳酸积累和相关的细胞应激，确保 MSC 拥有更稳定的环境。 

• 不同来源 MSCs 的具体需求 
  源自骨髓、脂肪组织或脐带的 MSC 表现出不同的代谢需求和生长因子依赖性。通用培养基配方通常无法满足这些不同的需求。为了克服这个问题，培养基配方必须根据每种 MSC 类型的特定需求进行量身定制。这可以通过详细的代谢分析和预优化实验来实现，以确定每种细胞类型独特的营养和环境需求。加入有针对性的补充剂，如细胞因子或特定氨基酸，可以进一步增强生长和功能。灵活且可定制的培养基解决方案的开发可确保充分支持来自不同来源的 MSC 的特定特性。 

• 供体变异性 
  供体之间的差异性带来了相当大的挑战，因为来自不同个体的 MSCs，即使是来自同一来源的 MSCs，也表现出独特的生长率和代谢特征。这种差异性使标准化培养基配方的开发变得复杂。 

应对这一挑战需要实施筛选和分层方法，将具有相似代谢特征的供体分组。多功能添加剂（如人血小板裂解物或特定生长因子）可以支持各种供体变异。此外，保持严格的质量控制协议可确保培养基性能在各个批次之间保持一致，从而减轻供体异质性的影响。

• 工艺条件和可扩展性 
  将 MSC 培养从实验室环境扩大到大规模生产会带来与氧张力、pH 值和营养物质可用性相关的复杂性。这些变化可能会损害细胞活力和功能。为了解决这个问题，配备实时传感器以监测关键参数的生物反应器可以精确控制培养条件。实施补料分批或灌注培养系统可以确保持续供应营养物质，同时有效去除废物。此外，培养基配方必须设计为在各种规模下保持稳定和有效，以支持治疗应用所需的长期培养时间。 

• 成本限制 
  MSC 培养基成本高昂，尤其是由于生长因子等昂贵成分，对可扩展性造成了重大障碍。在不影响细胞性能的情况下降低生产成本至关重要。一种解决方案是用人类血小板裂解物等经济高效的替代品替代昂贵的成分。批量购买培养基成分并与供应商合作开发定制配方也可以降低成本。通过在经济性和性能之间取得平衡，具有成本效益的可扩展性对于治疗应用而言变得可行。

• 优化复杂性

培养基优化具有迭代性，通常涉及高通量筛选和计算建模，可能非常耗时且资源密集。研究人员可以通过采用高通量筛选平台来简化此过程，这些平台允许同时测试多种配方。DOE 方法系统地评估成分相互作用，从而高效地确定最佳条件。机器学习算法通过分析历史数据并预测最佳配方提供了额外的优势，大大减少了重复实验的需要。

• 扩大规模的挑战 

扩大 MSC 培养规模会带来更多挑战，例如确保培养基性能稳定、细胞生长均匀以及在大批量生产中营养水平稳定。在扩大规模条件下进行的培养基稳定性测试对于验证长期培养期间的稳定性至关重要。具有优化混合系统的先进生物反应器可以确保营养物质和氧气均匀分布，同时防止代谢应激。中型验证试验有助于在全面生产之前发现潜在问题，从而实现早期故障排除。此外，优化培养基浓度以平衡成本和质量可确保可扩展性在经济上仍然可行。

MSC 培养基生产监管指南

MSC 应用培养基的生产，特别是在转化和临床环境中，需要严格遵守监管标准。这些准则确保最终产品的安全性、一致性和有效性，这对于基于 MSC 的疗法的成功至关重要。以下是 MSC 培养基制造的关键监管考虑因素，以及对合规实践和新兴趋势的见解。 

1. 符合GMP标准: 

• 用于转化或临床应用的 MSC 培养培养基必须符合 GMP。这可确保最终产品具有一致的质量、安全性和功效，尤其是当 MSC 用于治疗用途时。 

• GMP 法规涵盖了培养基生产的所有方面，从原材料采购到最终的灭菌和包装过程。 

2. 原材料采购和可追溯性: 

• MSC 培养基中使用的成分，例如基础培养基、生长因子和补充剂（例如，人类血小板裂解物或血清替代品），必须符合监管级标准。 

• 原材料的可追溯性对于确保合规性和解决潜在的污染风险（例如内毒素、外来因子或支原体）至关重要。 

3. 文档和验证: 

• 为了满足监管审查的要求，MSC 培养基的配方和生产过程需要详细记录。其中包括批次记录、材料分析证书 (CoA) 和工艺验证报告。 

• 验证涉及证明培养基在支持 MSC 扩增和维持其治疗特性（例如多能性和免疫调节）方面的性能的无菌性、稳定性和一致性。 

4. 符合 ISO 标准: 

• MSC 培养的培养基必须遵守相关的 ISO 标准，例如 ISO 13485，该标准概述了医疗器械生产的质量管理体系，确保制造过程的一致性、安全性和可靠性。 

• 此外，MSC 培养基应符合 USP <1043> 等指南，该指南为辅助材料提供了建议，强调其质量、安全性以及用于细胞和组织治疗的适用性。 

• 这些标准和指南共同确保培养基制造过程符合法规要求、提高产品质量并最大限度地降低与污染或变异相关的风险。 

5. 与区域监管机构保持一致: 

• MSC 培养基制造必须符合区域监管机构的要求，例如美国食品药品管理局 (FDA)、欧洲药品管理局 (EMA)、日本药品和医疗器械管理局 (PMDA) 或新加坡卫生科学局 (HSA)。 

• 机构可能对基于 MSC 的疗法有特定要求，例如需要详细描述培养基在维持细胞治疗属性方面的作用。 

6. 无菌测试和最终产品放行标准: 

• 每批 MSC 培养基都必须经过严格的无菌测试，包括细菌、真菌和支原体污染评估。 

• 发布标准还应评估培养基支持 MSC 增殖、活力和功能特性的能力。 

7. 新兴趋势和指导: 

• 监管指南正在不断发展，以解决包括基于 MSC 的疗法在内的先进治疗药物 (ATMP) 的复杂性。 

• 制造商应随时了解新的指南，例如 FDA 关于原材料风险评估的建议和 EMA 针对细胞和基因治疗中使用的培养基的标准。 

影响 MSC 文化媒体发展的关键趋势

MSC 培养基领域正在快速发展，以满足再生医学、细胞疗法和先进生物加工日益增长的需求。这些趋势反映了向更精确、可扩展且符合道德规范的解决方案的转变，这些解决方案可促进 MSC 生长、保持功能性并确保法规兼容性。下面，我们将探讨推动 MSC 培养基开发创新的主要进展。

• 化学成分确定培养基的开发:
  • 从血清培养基到化学成分确定培养基 (CDM) 的转变是 MSC 培养的一个关键进步。通过消除动物源成分，CDM 可降低变异性、最大限度降低污染风险并提高批次间一致性，这对于治疗应用至关重要。 
  • 由于血清成分存在病原体污染风险，监管指南倾向于使用 CDM 进行可追溯性和可重复性研究。CDM 还符合可扩展性要求，支持从小规模研究到临床制造的 MSC 持续生长。CDM 配方的进步正在推动其应用，定制培养基针对 MSC 扩增和分化进行了优化。这些配方包含精确浓度的生长因子和细胞因子，可确保细胞强劲生长和特定谱系分化。使用重组或合成成分可进一步提高安全性、一致性和符合生物制造道德标准。
• 更加注重个性化医疗
  • 对个性化医疗的日益重视正在重塑 MSC 培养基的要求。对定制配方的需求日益增长，这些配方可扩增来自不同组织来源（包括骨髓、脂肪组织和脐带）的 MSC。这些培养基配方旨在保持 MSC 独特的生物学特性，这对其治疗效果至关重要。 
  • 个性化 MSC 疗法，尤其是自体治疗，需要的培养基不仅要支持强劲的细胞扩增，还要确保保留关键的功能属性，例如免疫调节或再生能力。培养基定制越来越多地针对特定的治疗应用，例如增强组织修复或调节免疫反应，从而实现基于 MSC 的治疗的精准性。 
  • 这一趋势进一步受到解决患者特异性差异的需求的推动，确保培养基配方符合不同供体特征和疾病背景的独特要求。随着该领域的发展，个性化培养基将在提高 MSC 疗法的安全性、有效性和可扩展性方面发挥关键作用。
• 细胞培养技术的进步 
  • 创新的生物加工技术正在彻底改变 MSC 的生产方式，推动对专门培养基配方的需求。生物反应器目前广泛用于大规模 MSC 生产，需要能够维持高密度培养而不损害细胞活力、表型或治疗功能的培养基。这些配方还必须考虑到 MSC 在动态培养环境中的独特代谢要求。 
  • 微载体培养系统和 3D 培养平台等新兴技术正在进一步影响培养基设计。微载体可实现可扩展的贴壁 MSC 扩增，而 3D 培养系统旨在复制 体内 条件更紧密。这两种方法都需要培养基，支持在机械活性或空间复杂条件下有效的细胞附着、生长和分化。 
  • 此外，将自动化和实时监控工具集成到 MSC 制造工作流程中，正在塑造对适应性培养基的需求。这些技术需要一致、强大的配方，这些配方可以在各种培养系统中可靠地发挥作用，同时最大限度地减少批次间差异。随着这些进步的不断发展，它们凸显了根据尖端细胞培养技术的特定要求定制 MSC 培养基的重要性，最终提高 MSC 应用的效率、可扩展性和治疗潜力。
• 无血清和无外来物质培养基的出现
  • 向无血清和无异源物培养基的转变反映了人们越来越重视生产适用于治疗应用的临床级 MSC。无血清配方避免了与 FBS 相关的变异性和伦理问题，而无异源物培养基则排除了非人类动物成分，而是依赖于人类血小板裂解物等人类衍生的补充剂。这种转变提高了可重复性，降低了人畜共患污染的风险，并确保了法规遵从性，特别是对于需要严格可追溯性和安全标准的疗法。  
  • 该领域的一个显著进步是 干金，一种无异种和无血清的人类 MSC 培养基，专为跨多个谱系高效扩增 hMSC 而设计。这种创新培养基在遵守 ISCT 标准的同时，保持了 hMSC 的三系分化潜力。其符合 GMP 标准的制造确保了最小的批次间差异和增强的实验可重复性，使其成为研究和治疗应用的理想选择。STEMGOLD 还消除了预涂层的需要，简化了 MSC 扩增过程并提高了效率。 
  • 通过利用 STEMGOLD 等技术，研究人员可以实现更高的可重复性、降低污染风险并满足 MSC 疗法的严格监管要求。这些进步对于支持 MSC 研究从实验室向临床环境的转变至关重要。 

优化培养基配方是成功扩增 MSC 以用于转化应用的基石。通过了解核心成分、利用创新的优化策略以及解决可扩展性和监管挑战，生物企业家可以将自己定位在基于 MSC 的疗法的最前沿。STEMGOLD 等产品提供了有价值的解决方案，为一致、可扩展和高质量的 MSC 生产铺平了道路。 

案例

https://www.ema.europa.eu/en/human-regulatory-overview/advanced-therapy-medicinal-products-overview/guidelines-relevant-advanced-therapy-medicinal-products

https://www.fda.gov/drugs/pharmaceutical-quality-resources/facts-about-current-good-manufacturing-practice-cgmp

https://www.hsa.gov.sg/ctgtp/regulatory-overview

费尔南德斯-桑托斯 ME、加西亚-阿兰兹 M、安德鲁 EJ、加西亚-埃尔南德斯 AM、洛佩斯-帕拉 M、比利亚龙 E、塞普尔韦达 P、费尔南德斯-阿维莱斯 F、加西亚-奥尔莫 D、普罗斯珀 F、桑切斯-吉霍 F、莫拉莱达 JM、萨帕塔股份公司优化间充质基质细胞 (MSC) 制造工艺以获得更好的治疗效果。前免疫学。 2022 年 9 月 13 日；918565:10.3389。 doi：2022.918565/fimmu.XNUMX。 

Hashizume, T., Ozawa, Y. 和 Ying, BW. 利用主动学习优化哺乳动物细胞培养基。 npj 系统生物学与应用 9, 20 (2023). https://doi.org/10.1038/s41540-023-00284-7

Nikolits I、Nebel S、Egger D、Kreß S、Kasper C。通过生理培养方法改善间充质干细胞的标准培养。Cells。2021 年 13 月 10 日；4(886)：10.3390。doi：10040886/cellsXNUMX

Oeller, M.；Laner-Plamberger, S.；Krisch, L.；Rohde, E.；Strunk, D.；Schallmoser, K. 人类血小板裂解物用于符合良好生产规范的细胞生产。 诠释。 J. Mol。 科学。 2021, 22，5178。https://doi.org/10.3390/ijms22105178

西米诺 M、贡萨尔维斯 RM、巴里亚斯 CC、马丁斯 MCL。用于安全人类间充质干细胞/基质细胞扩增的无异源策略：补充剂和涂层。干细胞国际。 2017；2017：6597815。 DOI：10.1155/2017/6597815。

Guiotto M、Raffoul W、Hart AM、Riehle MO、di Summa PG。人血小板裂解物在 hMSC 扩增中替代胎牛血清进行转化应用：系统评价。翻译医学杂志。 2020 年 15 月 18 日；1(351):10.1186。 DOI：12967/s020-02489-4-XNUMX。

Mushahary D、Spittler A、Kasper C、Weber V、Charwat V。人类间充质干细胞的分离、培养和表征。细胞计数 A.2018；93(1):19-31。 doi:10.1002/cyto.a.23242