可裂解细胞微囊及其制备方法和细胞培养方法与流程

本发明涉及细胞培养领域，具体地涉及可裂解细胞微囊及其制备方法和细胞培养方法，特别是在外太空环境下进行细胞培养例如细胞贴壁培养的方法。

背景技术：

随着航天事业的发展，空间细胞水平研究的需求越来越多，但是由于各种条件的限制，目前仅有部分研究得以成功实施，其中飞行器发射前的准备时间为重要因素。在地面环境的培养条件下，细胞增殖到7天左右就可增殖铺满培养器皿的表面，如不能及时分离传代，更换培养环境，将会造成细胞的衰老，死亡。为避免进入太空前，细胞增殖铺满培养器皿表面，必须尽可能的缩短发射前的细胞装载时间隔，争取在一周之内完成细胞的装载，比如采取在发射前2到3天将细胞放置入飞行器的做法。但是并非所有空间发射都具有这样的条件：为保障发射安全、顺利地进行，往往需要将细胞培养设备装载入飞行器后整体进行检测；同时，空间发射往往受外界环境的影响，会发生发射时间延迟的情况，这些对细胞搭载的时间窗口期都具有重要的影响。此时，如采用常规的培养方法，搭载细胞的空间实验将会受较大的影响，如能解决细胞在细胞培养室内长时间培养的问题，将会增加细胞搭载的时间跨度，降低空间细胞实验的难度。

目前发现可以通过细胞微囊化进行长时间运输细胞的方法，从而可适应外界环境的温度变化及长达一周的旅程(damala,m.,swioklo,s.,koduri,m.a.etal.encapsulationofhumanlimbus-derivedstromal/mesenchymalstemcellsforbiologicalpreservationandtransportationinextremeindianconditionsforclinicaluse.scirep.2019，9,1-11)。微囊化是指采用无毒的高分子聚合物制成具有半透膜功能的小球囊，将细胞包裹于其中，囊内的细胞可以透过此膜获得小分子营养物、电解质、氧等。目前的研究发现各种类型的细胞均可进行微囊化培养，且常用于异体细胞移植的实验中(chayosumritm,tuchb,sidhuk.alginatemicrocapsuleforpropagationanddirecteddifferentiationofhescstodefinitiveendoderm.biomaterials,2010；31(3):505-514)。因此，如能利用微囊法进行培养细胞，无疑可以解决空间飞行器发射前准备时间对细胞搭载限制的问题。

另外，空间实验时往往需要对细胞的细微结构进行观察，要求观察到细胞贴壁生长的情况，而在微囊化培养条件下，只能观察到由于增殖后数量增多而引起的细胞密度变化及细胞团块形态的变化(黄晓波，张英，王为，等.微囊化培养对肝细胞增殖生长和功能表达的影响.中国组织工程研究与临床康复.2010,14,5329-5333)，而不能满足对细胞精细结构的观察。在有人操作条件下，可以将微囊高速离心或者化学溶解的方式将细胞微囊裂解，释放出其中的细胞，将微囊化细胞转化为贴壁生长的方法，进行后续的观察，但是空间实验大部分为无人操作，此时如何将微囊裂解,释放其中的细胞面临的问题。

技术实现要素：

为至少解决空间实验中飞行器发射前细胞搭载时间限制问题，同时满足空间实验中对细胞精细结构观察的需要，本发明提出一种可裂解细胞微囊，实现细胞在无人操控情况下的长时间培养。通过制作可裂解的微囊，创造细胞可以长期稳定增殖的环境，同时在一定时间后，通过微囊自身的裂解，释放其中的细胞进行贴壁生长，满足对细胞形态观察的需要。

本发明的第一方面，提供一种可裂解细胞微囊，其包含囊壁和由所述囊壁包裹的细胞及培养液，所述囊壁能够在细胞培养条件下进行培养后自行裂解，从而释放出被包裹的细胞及培养液。本发明的培养液为用于细胞生长、增殖的液体培养基。培养基可采用已知的任何产品，并且可根据细胞类型而选择不同的培养液，只要其能够保持液体状态即可。例如，dmem培养基(dulbecco'smodifiedeaglemedium)等。

根据本发明的可裂解细胞微囊，优选地，所述囊壁由海藻酸钙层和多聚赖氨酸表层构成。

根据本发明的可裂解细胞微囊，优选地，所述微囊的直径为300-500μm。

本发明的第二方面，提供一种可裂解细胞微囊的制备方法，其包括以下步骤：

(1)将细胞加入第一浓度的海藻酸钠溶液制成海藻酸钠细胞混合液，然后将其滴入氯化钙溶液中，静置10分钟后凝聚成海藻酸钙胶珠，然后洗涤所述海藻酸钙胶珠；

(2)将所述海藻酸钙胶珠加入多聚赖氨酸溶液中静置10分钟，然后洗涤；和

(3)将步骤(2)的胶珠置于第二浓度的海藻酸钠溶液中静置5分钟，由此得到空间可裂解细胞微囊；

所述第一浓度大于所述第二浓度。

根据本发明所述的可裂解细胞微囊的制备方法，优选地，所述第一浓度为0.5％以上至1.0％以下的质量体积浓度，所述第二浓度为0.1％以上至低于0.5％的质量体积浓度，所述氯化钙溶液的质量体积浓度为0.8-1.2％。

根据本发明所述的可裂解细胞微囊的制备方法，优选地，步骤(1)和(2)中的洗涤使用生理盐水进行。

根据本发明所述的可裂解细胞微囊的制备方法，优选地，在步骤(1)中，通过注射器利用氧气吹张压力使所述海藻酸钠细胞混合悬液滴入氯化钙溶液中。

根据本发明所述的可裂解细胞微囊的制备方法，优选地，步骤(1)中控制海藻酸钠细胞混合液中细胞的浓度为1-2×10⁵个/ml。

本发明的第三方面，提供一种细胞培养方法，其包括将可裂解细胞微囊置于细胞培养器中进行培养的步骤；优选地，所述细胞培养器置于飞行器中或外太空中。

根据本发明所述的细胞培养方法，优选地，其包括在30-37℃下培养8-10天，微囊开始裂解，从而释放微囊中的细胞的步骤。

本发明制备的微囊的膜结构具有良好的通透性，可以通过小分子营养物质，用于细胞培养时其通透性较好，能形成较好的细胞生长环境，提升细胞培养扩增的效率。本发明通过控制海藻酸钠溶液的浓度在特定范围内，可控制在培养一周后可以出现裂解。释放细胞的情况，其裂解为逐步进行，恰好可以满足空间实验中在地面准备阶段和空间发射后对细胞培养的不同需求。

本发明的细胞微囊中细胞具有更好的生长空间和代谢的环境，可在一定时期内稳定增殖，而不必考虑培养空间受限所带来的影响，进而可适应其在空间实验开始前的准备时间较长的情况。同时，利用其可自发裂解特点，可在飞行器发射后观察到细胞在培养器皿贴壁后所展现的细微结构特点，确保空间实验的精确开展。

附图说明

图1为一种示例性微囊发生装置的结构图。

图2本发明一种示例性细胞微囊的显示结构及其裂解后贴壁生长的情况。

具体实施方式

现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。

应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为具体公开了该范围的上限和下限以及它们之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。

除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。

本发明的可裂解细胞微囊中，“可裂解”是指无人为干预情况下，细胞在培养条件下发生的自行裂解或/破裂。培养条件是指适于细胞生长/分裂的条件，包括30-37℃，优选37℃的温度。培养条件还包括适当的二氧化碳浓度，一般而言，其浓度为5％。

本发明利用海藻酸钠与氯化钙相互作用形成络合物沉淀，然后再其外依次包裹多聚赖氨酸、海藻酸钠，制作囊壁，形成相对稳定的细胞培养环境。本发明中，微囊的稳定性与海藻酸钠的浓度有密切的关系。用于形成络合物的海藻酸钠的质量体积浓度一般需控制在0.5％以上至1.0％以下。该浓度越高，则得到的微囊越稳定，不利于后期的裂解，甚至不能进行裂解。如果该浓度过低，则得到的微囊倾向于不稳定，甚至不能进行有效的微囊。优选地，用于形成络合物的海藻酸钠的质量体积浓度为0.8-1.0％，更优选0.9-1.0％。在某些实施方案中，采用1％浓度的海藻酸钠制备的细胞微囊可在一周时间左右发生自身的裂解，释放其中的细胞。需要特别注意的是，在用海藻酸钠处理包裹多聚赖氨酸的胶珠时的浓度需小于用于形成络合物的海藻酸钠的浓度，由此使微囊更加稳定，并提高膜的通透性。用海藻酸钠处理包裹多聚赖氨酸的胶珠时的浓度可以控制为0.1％以上至低于0.5％，优选0.2％以上至低于0.5％，更优选0.3％以上至0.45％以下。

本发明中细胞海藻酸钠混悬液中的海藻酸钠浓度为加入细胞及所含培养液后的终浓度，而非原始配制时的浓度。操作前，应当根据细胞及所含细胞培养液溶液体积对原始配制时浓度进行测算，可采用下述公式进行测算：公式：其中s0为溶液初始浓度，s1为细胞海藻酸钠混悬液的浓度，v0海藻酸钠溶液容积，v1为细胞海藻酸钠混悬液中细胞及所含培养液的容积。确保其混悬液中海藻酸钠的浓度为1-2％中的一个水平。

进一步为了保证形成微囊之后，细胞能具有相对比较适合的生长和扩增的能力，细胞与海藻酸钠的混合悬液中细胞的浓度控制1-2×10⁵个/ml。微囊内细胞密度过低，在培养过程中细胞难以生长增殖；如果密度过高，将会导致微囊内的空间有限，细胞容易短期内出现老化凋亡，所以应使微囊内的细胞数量处于比较适合的浓度范围，利于细胞的培养。

为保障所制细胞微囊具有较好控制性和相对时间内的稳定性，微囊大小应当制作较均一，而且应当不宜过大。本发明发现300-500微米，优选350-450微米大小时微囊相对稳定，其破裂时间在1周后，逐步开始，并且可持续进行，如微囊过大，则较短时间即可出现破裂，难以达到维持细胞微囊一段时期内相对稳定的要求。因此，应当将微囊大小维持于合理水平。

本发明中，可通过使用自制微囊发生器来制备微囊。本发明的微囊发生器一般包括无菌注射器、25g注射器针头、无菌塑料加压管、充满氧气的高压氧气瓶、氧气连接管和无菌培养皿。氯化钙溶液倒入无菌培养皿后，采用气体加压吹张为辅助动力，可将自注射器中挤压出的悬浮细胞海藻酸钠溶液及时吹入氯化钙溶液中，通过调整气体压力和注射器中的压力，可以调节制备的细胞微囊的大小。为确保气体施加力量能施加于注射器针头部，注射器针头应当突出塑料管末端，而非与其持平，或短于管道末端。

在示例性微囊制备方法中，其包括如下步骤：

准备海藻酸钠、氯化钙、多聚赖氨酸；

将海藻酸钠于双蒸水中溶解后，制成海藻酸钠溶液，过滤除菌备用；

将氯化钙溶于双蒸水，制成氯化钙溶液，过滤除菌备用；

将多聚赖氨酸溶于双蒸水，制成多聚赖氨酸溶液，过滤除菌备用；

于海藻酸钠溶液中加入待培养的细胞，制成海藻酸钠细胞混合悬液；

调整混合悬液中细胞的密度及海藻酸钠浓度；

将海藻酸钠细胞的混合悬液加入至氯化钙溶液中，静置10分钟形成稳定海藻酸钙胶珠。

将海藻酸钙胶珠加入多聚赖氨酸溶液中，形成多聚赖氨酸的包膜层，

将外裹多聚赖氨酸胶囊的海藻酸钙胶珠进一步加入较前述低浓度低的海藻酸钠溶液中，形成海藻酸/多聚赖氨酸/海藻酸细胞微囊。

上述各步骤中更换液体时，需要先以生理盐水冲洗。

在示例性细胞培养方法中，其包括：

将大量海藻酸-多聚赖氨酸-海藻酸细胞微囊置于细胞培养容器中进行培养。

所述培养是在37℃，5％二氧化碳培养条件下进行。

培养液根据各类型细胞而定。

培养液每隔3天一换，每次更换1/2液体。

细胞微囊可在进行搭载前自普通培养器皿中移入空间实验用培养室中，亦可制作好微囊后直接放入空间实验用培养室内进行培养。

实施例1

1.将海藻酸钠于水中溶解后，用0.22微米滤器过滤。将氯化钙按照质量体积比1.1％配制成氯化钙溶液，以0.22微米滤器过滤。将多聚赖氨酸配制成0.05％浓度溶液，以0.22微米滤器过滤。

2.将细胞加入海藻酸钠溶液制成海藻酸钠细胞混合液，并控制海藻酸钠细胞混合液中海藻酸钠的终浓度为1％(w/v)。

3.将海藻酸钠细胞混合悬液通过注射器利用氧气吹张压力滴入氯化钙溶液中进行凝聚成海藻酸钙胶珠，静置10分钟，然后以无菌生理盐水冲洗3次。

4.将海藻酸钙胶珠加入多聚赖氨酸溶液中，静置10分钟，然后以无菌生理盐水冲洗多次。

5.将外裹多聚赖氨酸的海藻酸钙胶珠再次放入0.5％浓度的海藻酸钠溶液中静置5分钟，然后以无菌生理盐水冲洗3次。由此得到海藻酸/多聚赖氨酸/海藻酸微囊移入细胞培养皿中进行后续培养。

实施例2

本实施例用于说明使用微囊发生装置进行海藻酸钠滴加的过程。

本实施例中的微囊发生装置包括注射器(1)、注射器针头(2)、无菌塑料吹张加压管(3)、接头(7)和氧气管路(6)。

使用时，用注射器(1)吸取细胞海藻酸钠溶液。将注射器针头(2)自无菌塑料吹张加压管(3)侧壁插入其中。注射器针头(2)应当突出于无菌塑料吹张加压管(3)末端。连接无菌塑料吹张加压管接头(7)与氧气管路(6)。将氧气阀门打开，压力调节为5pa，可看到培养皿(4)中氯化钙溶液中产生漩涡涌动。匀速加压推动注射器(7)。制作时，所产生悬液应当滴入氯化钙溶液的漩涡边缘，以确保微囊间不会粘连。

实施例3

本实施例为可裂解cho细胞(chinesehamsterovarycell)微囊的制作。

以2代cho细胞为培养细胞，将其微囊化，观察其在培养过程中的裂解时间和细胞生长情况。

准备cho细胞(购自中国医学科学院细胞中心)。将cho细胞培养至85～90％融合。将细胞以0.25％胰酶消化，37℃孵育2分钟。培养液中和胰酶，吹打细胞。置入离心管中以1200rpm离心5分钟最后去掉上清液。

调整细胞浓度并以终浓度1×10⁵cells/ml混合于海藻酸钠溶液中。海藻酸钠终浓度为1％(w/v)。

使用注射器吸取细胞海藻酸钠混悬液。将注射器针头从侧壁插入连接氧气的无菌塑料吹张管中。将氧气阀门打开，压力调节为5pa。推动注射器。细胞海藻酸钠溶液呈细小滴状落入氯化钙溶液中。静置10分钟，形成海藻酸钙胶珠。以生理盐水冲洗三次。

将海藻酸钙胶珠加入到多聚赖氨酸溶液中，静置10分钟。以生理盐水冲洗3次。加入0.5％海藻酸钠溶液静置5分钟。以生理盐水冲洗3次。

将制成的海藻酸/多聚赖氨酸/海藻酸微囊移入细胞培养器皿中。加入10％fbs(fetalbovineserum)的dmem培养基。5％二氧化碳细胞37℃培养环境。每隔3天更换一次培养液，每次更换1/2培养液。培养2天后发现微囊内细胞出现增殖，培养8天后开始出现微囊裂解，细胞从微囊中裂出，并可在培养皿中贴壁生长。7

尽管本发明已经参考示例性实施方案进行了描述，但应理解本发明不限于公开的示例性实施方案。在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的示例性实施方案做多种调整或变化。权利要求的范围应基于最宽的解释以涵盖所有修改和等同结构与功能。