在生物医学领域，锚定依赖细胞（需要物理附着于固体表面才能生存、生长和繁殖的细胞）的培养至关重要。然而，当前从培养表面分离细胞的技术往往会导致细胞应激和存活率下降。MIT机械工程系的研究人员近日开发出一种突破性的酶细胞分离技术，通过交替电化学氧化还原循环方法，在保持细胞高活性的同时实现高效分离，有望彻底改变大规模生物制造格局。
传统细胞分离技术的局限性
在制药和生物技术行业，细胞通常从培养表面使用酶进行分离，这一过程充满挑战。"酶处理会损害脆弱的细胞膜和表面蛋白，特别是在原代细胞中，而且通常需要多个步骤，使工作流程缓慢且劳动密集，"MIT机械工程教授Kripa Varanasi解释道。
现有方法还依赖于大量消耗品，每年产生约3亿升细胞培养废液。此外，由于这些酶通常源自动物，对于用于人类治疗的细胞可能引入相容性问题，限制了现代生物制造中的可扩展性和高通量应用。
电化学细胞分离技术原理
在《ACS Nano》期刊发表的新论文中，MIT机械工程系和哈佛-麻省理工 Broad Institute 癌症项目的研究人员提出了一种新颖的无酶策略，用于从培养表面分离细胞。该方法通过在导电生物相容性聚合物纳米复合材料表面利用交替电化学电流工作。
"通过施加低频交流电压，我们的平台可以在几分钟内破坏细胞黏附，同时保持90%以上的细胞活力——克服了酶解和机械方法可能损伤细胞或产生过量废液的局限性，"Varanasi表示。
该技术的核心在于利用导电聚合物纳米复合材料作为基底，通过精确控制的电化学过程调节细胞与表面的相互作用。研究人员发现，特定的电化学条件可以改变细胞周围的离子微环境，从而减弱细胞与表面的黏附力，实现温和而高效的分离。
技术优势与突破性成果
与传统的酶解方法相比，这种电化学细胞分离技术展现出显著优势：
- 高细胞存活率：实验表明，该方法可将细胞存活率保持在90%以上，远高于某些传统方法
- 快速分离：整个过程仅需数分钟即可完成，大大缩短了细胞处理时间
- 减少废液：无需大量酶试剂，显著减少了细胞培养废液的产生
- 无动物源性成分：避免了动物源性酶可能带来的相容性问题
- 可扩展性：该方法可均匀应用于大面积，适合高通量和大规模应用
在实验中，研究团队使用人类癌细胞（包括骨肉瘤和卵巢癌细胞）测试了他们的新方法。在确定最佳频率后，两种类型细胞的分离效率从1%提高到95%，细胞存活率超过90%。
广泛应用前景
细胞治疗与再生医学
除了简化常规细胞培养外，这种方法还可能通过实现自动化和防污染的工作流程，彻底改变大规模生物制造，应用于细胞治疗、组织工程和再生医学。该平台还为安全扩增和收获敏感免疫细胞（如CAR-T疗法）提供了途径。
"因为我们电可调界面可以动态塑造细胞周围的离子微环境，它也提供了控制离子通道、研究信号通路以及与生物电子系统集成进行高通量药物筛选、再生医学和个性化治疗的强大机会，"Varanasi解释道。
生物制药与工业应用
锚定依赖细胞的工业应用包括生物医学、制药和化妆品行业。该技术在这些领域具有巨大潜力，特别是在需要高质量细胞产物的生产过程中。
"因为这种方法可以均匀应用于大面积，它非常适合细胞治疗制造等高通量和大规模应用，"MIT机械工程研究员、论文合著者Bert Vandereydt强调工业可扩展性潜力。"我们设想它将在不久的将来实现完全自动化的闭环细胞培养系统。"
癌症研究
Broad Institute的主要研究员兼项目合作者Yuen-Yi (Moony) Tseng强调了该技术的生物医学意义。"这个平台为培养和收获脆弱的原代细胞或癌细胞开辟了新途径。它可以简化研究和临床生物制造中的工作流程，减少变异性，并为治疗用途保留细胞功能。"
技术创新与科学价值
这项研究展示了电化学如何不仅用于科学发现，还可用于可扩展的实际应用。"通过将电化学控制转化为生物制造，我们正在为能够加速自动化、减少废物并最终建立在可持续和精确处理基础上的新技术奠定基础，"MIT博士后兼论文共同第一作者Wang Hee (Wren) Lee表示。
该技术的独特之处在于它将电化学原理与生物医学应用相结合，创造了一种全新的细胞分离范式。通过精确控制电化学参数，研究人员能够实现对细胞-表面相互作用的精确调控，这一发现不仅具有应用价值，也为理解细胞黏附机制提供了新的科学视角。
未来发展方向
研究人员认为，这项技术还有进一步发展的空间：
- 多细胞类型适用性：目前已在癌细胞上验证，未来将扩展到更多类型的细胞，包括原代细胞和干细胞
- 工艺参数优化：通过机器学习等方法进一步优化电化学参数，提高分离效率
- 系统集成：开发与现有生物制造设备兼容的集成系统
- 临床转化：推进技术在临床细胞治疗生产中的应用
行业影响与可持续性贡献
生物制造行业是资源密集型行业，每年产生大量废液。这项新技术有望显著减少环境足迹，同时提高产品质量和生产效率。"通过减少酶的使用和相关废液，这项技术代表了生物制造向更可持续方向发展的重要一步，"Varanasi指出。
此外，该技术的自动化潜力将减少对人工操作的依赖，降低人为错误风险，提高生产一致性和可靠性，这对于细胞治疗等高价值产品的生产尤为重要。
结论
MIT研究人员开发的这种基于电化学的细胞分离技术代表了生物制造领域的重要突破。通过提供一种高效、温和且可持续的细胞分离方法，这项技术有望加速细胞治疗、组织工程和再生医学等领域的发展，为患者带来更好的治疗选择。
随着技术的不断成熟和应用范围的扩大，我们有理由相信，这种创新的细胞分离方法将在未来的生物医学研究和产业中发挥越来越重要的作用，推动整个行业向更高效、更可持续、更精准的方向发展。
