间充质干细胞（Mesenchymal stromal/stem cells,MSCs）是一种来源于中胚层的干细胞。因其来源广泛、免疫原性低、体外可大量传代扩增,且具有自我更新能力、多向分化潜能、体内归巢能力、支持造血以及强大的旁分泌能力和免疫调节作用而广泛地用于再生医学、组织损伤修复和免疫类疾病的临床前研究和临床治疗。但是越来越多的研究发现,MSCs的治疗效果并不能达到预期。究其原因主要是体外二维（2D）培养导致MSCs的干性逐渐消失,生物学功能减弱,和移植后体内存活率低。传统三维（3D）培养可以模拟体内生理微环境,增强MSCs的生物学特性,但是依赖多细胞聚集生产的多细胞球体大小不均一,细胞异质性严重、球体内由于营养代谢受阻而凋亡,不能均一性地优化细胞,很难标准化培养并应用于体内临床治疗。为了解决以上问题,本研究开发了一种新颖的、利用细胞芯片方法均一化生产单细胞来源细胞球（SCDS）,实现对MSCs的3D培养并针对细胞的自我更新能力对细胞进行驯化和筛选,从而优化MSCs。我们利用微纳加工方法制备细胞芯片,在芯片上分别对单细胞和数量可控的多细胞聚集进行2D阵列,结合3D培养技术,创新性地制备了脐带间充质干细胞（UCMSCs）来源的多细胞聚集细胞球（MCDS）和SCDS,并进行表征和形态学观察,确认获取的SCDSs和MCDSs尺寸均一。细胞实验证明,与2D、MCDS培养的UCMSCs相比,SCDSs表现出更强的自我更新能力、成骨分化能力和迁移能力;同时,SCDS培养也促进了 UCMSCs在缺氧条件下的存活。动物实验结果证明,与MCDSs和2D培养的UCMSCs相比,在UCMSCs形成的Xenograft中SCDSs更能促进血管生成,延缓移植的细胞在体内的凋亡。同时,针对CCl4诱导的急性肝衰竭,SCDSs培养的UCMSCs在体内有更好的归巢能力和组织创伤修复能力。本论文还探究了 SCDS培养优化MSCs可能的作用机理。我们发现SCDS培养通过促进UCMSCs保持静息、抑制细胞衰老、促进AMPK活性和抑制mTORC1活性来促进其存活。转录组高通量测序和系统生物学分析证明,相比于2D培养和MCDS培养的UCMSCs,SCDS培养的UCMSCs在基因表达模式上更接近早期传代的细胞。我们推测SCDS培养可能激活了 AMPK/mTORC1信号通路,改变了细胞的能量代谢模式,使细胞进入静息期,并维持细胞干性,提高自噬活性,增强细胞耐受胁迫的能力,减少衰老,从质量上提高细胞的均一性。另外,细胞还可能通过不依赖AKT的PI3K信号通路,比如PI3K/PDK1途径来促进细胞存活。综上所述,我们利用单细胞芯片技术,构建单细胞2D阵列和3D培养的微环境,基于细胞自我更新能力的诱导,建立了一种高效MSCs优化方法,制备了尺寸均一、生物学性能优异的SCDSs。该方法有望为临床治疗提供优化的、可以标准化制备的MSC细胞材料。