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固定床生物反应器，人工肝临床应用的新型智能化选择
发布日期：2025-05-08
肝衰竭是临床常见的因肝功能严重损伤引起的危重症，尤其是急性（亚急性）肝衰竭和慢加急性肝衰竭，病情进展快，病死率高。人工肝支持系统的基本原理是通过体外机械、理化和生物装置暂时替代肝脏的部分功能，有效清除肝衰竭患者体内有害毒素及炎症介质，补充白蛋白、凝血因子等必需物质，改善紊乱的内环境，从而为肝细胞再生、肝功能恢复或肝移植创造条件。人工肝的类型可分为非生物型、生物型及混合型。其中非生物型人工肝（non-bioartificial liver，NBAL）近年来无论是设备、治疗模式，还是临床研究等诸多方面均有较多进展，是目前临床应用最为广泛的人工肝类型。此外，近年来有关生物型人工肝（Bio-artificial Liver，BAL）涉及的种子细胞、生物反应器等关键技术已取得长足进步，初步呈现出令人期待的前景。本文将介绍使用同腾新创（苏州）科技有限公司自研CEL-G® Culture Ad60固定床生物反应器（Ad60 FBR）进行人肝癌细胞HepG2的培养测试结果，并根据测试结果分析Ad60 FBR固定床生物反应器应用于人工肝体外支持系统的可行性探讨。
固定床在人工肝体外支持系统中的应用是生物人工肝（BAL）领域的重要研究方向之一，其核心在于通过生物反应器内的固定化细胞或材料模拟肝脏的代谢和解毒功能。以下是该技术的研究进展介绍：
（1）材料与设计优化
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新型生物材料：采用可降解高分子材料（如聚乳酸、胶原蛋白）或纳米纤维支架，提升生物相容性和细胞功能表达。
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微流控技术：结合微流控芯片设计，精确调控营养物质和代谢产物的分布，模拟肝小叶结构，增强代谢效率。
（2）种子细胞来源
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原代肝细胞：虽功能完整，但来源受限且体外存活时间短，固定床技术通过优化培养条件延长其活性。
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干细胞衍生肝细胞：诱导多能干细胞（iPSC）分化的肝样细胞成为研究热点，其规模化培养与固定床结合可解决供体短缺问题。
（3）与其他技术的整合
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与NBAL联用：如将固定床生物反应器与血浆吸附系统（如DPMAS）结合，形成混合型人工肝，兼具非生物型快速解毒与生物型代谢支持的优势。
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自动化控制：通过传感器实时监测代谢指标（如尿素、乳酸），动态调整血流速度与培养条件，提升系统稳定性。
固定床生物反应器通常采用三维支架或微载体固定肝细胞（如原代肝细胞、干细胞来源的肝样细胞），通过模拟肝脏的微环境，促进细胞黏附、增殖及功能表达。相较于传统的悬浮培养系统，固定床的优势包括：
（1）高细胞密度与活性：
三维结构提供更大的表面积，利于细胞生长和物质交换，维持肝细胞极性及代谢功能。
（2）稳定性增强：
固定化减少剪切力损伤，延长细胞存活时间，适合长期体外支持。
（3）高效解毒与合成：
固定床结合肝细胞可同时实现毒素清除（如胆红素、氨）和必需物质（白蛋白、凝血因子）的分泌。
（1）动物实验成果：
多项研究表明，固定床系统在猪或大鼠急性肝衰竭模型中可显著降低血氨、改善凝血功能，并延长生存时间。
（2）临床转化难点：
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长期功能维持：肝细胞在体外易发生功能退化，需进一步优化培养体系。
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免疫排斥：异源细胞可能引发免疫反应，需探索免疫隔离材料或自体细胞来源。
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规模化生产：固定床系统的成本与标准化生产仍是产业化瓶颈。
（1）个性化治疗：基于患者特异性细胞构建定制化固定床系统，结合基因编辑技术增强细胞功能。
（2）多器官支持：将固定床与肾脏、肺脏支持系统整合，应对多器官衰竭的复杂临床场景。
（3）智能化与远程监控：利用AI算法预测系统性能并实现远程调控，提升治疗精准度。
人肝癌细胞系HepG2在
Ad60 FBR上的培养测试
细胞扩增：使用人肝癌细胞系HepG2，模拟肝源细胞固定床载体内生长贴附情况，细胞复苏后在2D条件下进行种子扩增（图1）；
➤细胞接种及扩增：在Ad60 FBR 中以1E4cells/cm2 接种HepG2细胞（图2A），使用2平米罐体及配套耗材培养6天细胞密度达到2.66E5cells/cm2（图2B），扩增了26倍，膜内总细胞达到8.72E9，延长扩增时间1-2天预计可达2E10的临床应用需求量；且载体最大细胞载量大于2E10，可满足替代体内肝脏代谢功能需求；
➤生化指标检测：培养过程中，葡萄糖消耗、乳酸堆积、乳酸脱氢酶（lactate dehydrogenase，LDH）水平显示细胞在载体内扩增状态良好（图2C-E），细胞损伤小，载体内3D生长环境为细胞快速扩增代谢提供温和的生长空间；
➤培养上清： 培养6天后培养上清肉眼观察非常澄清，且游离细胞少于1E4cells/ml（图2F），细胞碎片少，避免血浆分离器膜堵塞，提高物质交换效率，对应用于人工肝体外支持系统非常有利；
➤膜上细胞荧光染色：取样条上活死细胞荧光染色显示细胞贴附扩增状态良好（图3），为Ad60 FBR应用于生物人工肝体外支持系统提供有利条件。
图1. HepG2培养皿内种子细胞扩增
图2. HepG2生长及代谢指标检测：（A）Ad60 FBR HepG2培养测试（B）HepG2扩增曲线（C）乳酸代谢检测（D）乳酸脱氢酶代谢检测（E）葡萄糖代谢检测（F）培养上清游离细胞检测
图3. Day2-Day6取样条上活细胞Calcein-AM/PI荧光染色
总结
固定床生物反应器在人工肝中的应用显著提升了生物人工肝的效能，尤其在细胞功能维持和系统集成方面取得突破。然而，其临床推广仍需克服细胞来源、免疫反应及成本等挑战。未来，随着材料科学、干细胞技术和人工智能的交叉融合，固定床系统有望成为肝衰竭治疗的核心技术之一。同腾新创（苏州）科技有限公司研发的CEL-G® Culture Ad60固定床生物反应器（图4）因其集成、智能、精密控制培养参数、耗材符合生物相容性要求等优点，为生物人工肝的临床应用提供了新型智能化设备选择。
图4.同腾新创自主研发CEL-G® Culture Ad60固定床生物反应器
1. 《人工肝血液净化技术临床应用专家共识(2022年版)》
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