控制微環(huán)境氧含量是研究干細(xì)胞的一個重要基礎(chǔ)

2017年12月巴黎七大的Adrien Moya 博士在Stem Cell上發(fā)表文章研究人源骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的糖代謝研究，來分析在組織工程中應(yīng)用MSCs從體外移植入人體內(nèi)的存活率極低的情況。

文章中指出，人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（MSCs）是組織工程中很理想的選擇。然而，因為它的存活率很低，限制了在治療上的效果。研究者發(fā)現(xiàn)，hMSCs在體內(nèi)真實環(huán)境更接近于缺氧（0.1%O₂）而不是體外的低氧環(huán)境（1%-5% O₂）。在這種缺氧的環(huán)境下，hMSCs無法適應(yīng)在沒有外源葡萄糖存在的情況下，只能控制很有限的內(nèi)部葡萄糖儲備和基本為零的ATP儲量。在這種外源葡萄糖水平極低的情況下，因為缺乏下調(diào)能量翻轉(zhuǎn)的機(jī)制導(dǎo)致hMSCs能量儲量的快速耗盡，直接導(dǎo)致其極低的存活率。

低于0.1%的氧氣條件呈現(xiàn)了體內(nèi)移植后的環(huán)境

哺乳組織行使功能的氧氣濃度是2%-10%左右。比如在骨髓中MSC（間充質(zhì)干細(xì)胞）微環(huán)境（niche）中的氧氣濃度是2%-8%。氧氣含量在提供人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（hMSCs）穩(wěn)態(tài)的能量需求，存活以及移植之后最終行駛功能的過程中，扮演著極其重要的角色。但是，

hMSCs在組織工程中的應(yīng)用，特別是移植后早期在體內(nèi)的氧氣濃度需求還不清楚。

本研究中，首次將hMSCs種在組織工程的載體上面，并保持氧氣含量在0.13%±0.06% 長達(dá)24h。該氧氣濃度比小鼠在體的軟組織局部缺血的濃度更低，人類腫瘤的微環(huán)境的氧氣濃度是0.3%至4.2%。對于這種極低濃度的耗氧量的解釋，是在移植后早期階段，hMSCs微環(huán)境基本沒有血液供給氧氣。

想精確地研究細(xì)胞在活體內(nèi)的氧氣濃度，是非常具有挑戰(zhàn)性的。本文作者嘗試通過建立一種缺氧生物標(biāo)記的表達(dá)，研究氧氣濃度在21%至0.1%的范圍內(nèi)，hMSCs的生長情況。發(fā)現(xiàn)0.1%的氧氣含量最能反映hMSCs在活體內(nèi)的真實狀態(tài)。在這種條件下，移植之后的細(xì)胞，顯現(xiàn)出線粒體活性的高度抑制。在體外實驗中，0.1%的氧氣濃度是唯一可以誘導(dǎo)缺氧標(biāo)記物表達(dá)，并顯著下調(diào)線粒體活性。研究結(jié)果表明，0.1%的氧氣含量最好地反應(yīng)出hMSCs在活體狀態(tài)下在組織工程構(gòu)建平臺上，相對于氧氣含量粗放的狀態(tài)，增長速度要更快，更大。

缺氧條件控制

缺氧條件模擬是通過pro Ox-C-chamber系統(tǒng)（C-Chamber，C-347，Biospherix，New York，NY）實現(xiàn)的。這個chamber中的氧氣含量維持在0.1,1,5,或21%，并混合有5%CO2，用N2平衡。

對于缺氧條件下的細(xì)胞培養(yǎng)，hMSCs培養(yǎng)在24孔板中，每平方厘米種12,000細(xì)胞。

  上圖顯示，在干細(xì)胞移植之后，在皮下以及水凝膠支架中心點的氧氣含量測定數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)分別是來自于0天，1天以及3天的數(shù)據(jù)。

延伸 

除此之外，骨髓中的造血干細(xì)胞，其周圍環(huán)境中的氧含量也在骨髓微環(huán)境中發(fā)揮重要作用。低氧環(huán)境導(dǎo)致HSC處于低活性氧水平，從而具有較好的自我更新能力和重建骨髓的能力。把氧含量看成是干細(xì)胞微環(huán)境的一個成分雖然是個較新的概念，但是目前越來越多的在各種干細(xì)胞中得到進(jìn)一步研究證實。

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