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在篩選的共培養(yǎng)條件下雙向預(yù)誘導(dǎo)提高 hUCMSCs 成骨能力的新方法

瀏覽次數(shù):1458 發(fā)布日期:2022-6-2  來(lái)源:http://www.naturethink.com/?news/223.html
為了實(shí)現(xiàn)骨缺損的非侵入性和更安全的定制化康復(fù),間充質(zhì)干細(xì)胞(MSCs)被建議用于基于3D打印(3DP)制成的骨支架定制的生物活性組織工程骨移植物,從而為臨床環(huán)境提供有希望的證據(jù)。然而,人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(hBMSCs)的獲取數(shù)量不能滿足具有侵襲性過程的骨修復(fù)的巨大需求,并且細(xì)胞活性受供體年齡和健康狀況的影響很大,極大地限制了臨床應(yīng)用。相比之下,人臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞(hUCMSCs),存在于臍帶華通氏膠(Wharton’s jelly)和血管周圍組織中的一種間充質(zhì)干細(xì)胞,具有更高的細(xì)胞產(chǎn)量、快速的增殖能力、大量分泌與細(xì)胞遷移、炎癥、免疫調(diào)節(jié)、血管生成相關(guān)的細(xì)胞因子。最重要的是,hUCMSCs 不表達(dá)負(fù)責(zé)同種免疫反應(yīng)的主要組織相容性復(fù)合物II(MHC II)和免疫調(diào)節(jié)因子 B7 共刺激分子。因此,認(rèn)為 hUCMSCs 在組織工程骨制備過程中同時(shí)具有種子細(xì)胞和細(xì)胞因子的特性,將是增強(qiáng)組織工程骨移植物生物活性的一種有希望的選擇。大量研究還表明,hUCMSCs 具有優(yōu)異的成骨特性,是適合骨組織工程的種子細(xì)胞。鑒于一些研究認(rèn)為 hUCMSCs 的成骨能力弱于 hBMSCs,因此提高 hUCMSCs 的成骨能力是值得的。

目前有研究已經(jīng)提出了骨原細(xì)胞(干細(xì)胞、成骨細(xì)胞等)和血管生成細(xì)胞(內(nèi)皮祖細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞等)的共培養(yǎng)系統(tǒng),已被證實(shí)具有促進(jìn)成骨和血管生成的協(xié)同作用,有利于支架中成骨細(xì)胞的存活和預(yù)后,從而確保組織工程骨的成功骨化。然而,內(nèi)皮祖細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞的體外培養(yǎng)困難,分離的細(xì)胞數(shù)量非常少,增殖能力有限。此外,在共培養(yǎng)這兩種細(xì)胞的臨床應(yīng)用中,不同的細(xì)胞來(lái)源會(huì)增加免疫排斥和疾病傳播的風(fēng)險(xiǎn)。因此,為降低上述風(fēng)險(xiǎn),應(yīng)使用一種來(lái)源豐富的單一 MSCs 分別分化為成骨細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞,然后再進(jìn)行共培養(yǎng)。迄今為止,關(guān)于單一類型干細(xì)胞的雙向分化的研究很少。

研究表明,兩種細(xì)胞的混合比例以及用于共培養(yǎng)的培養(yǎng)基直接影響成骨的結(jié)果。大多數(shù)研究人員更喜歡采用兩種細(xì)胞按1:1混合的方法,在成骨誘導(dǎo)培養(yǎng)基或共培養(yǎng)培養(yǎng)基(50% 成骨誘導(dǎo)培養(yǎng)基和 50% 內(nèi)皮生長(zhǎng)培養(yǎng)基)中培養(yǎng)。迄今為止,還沒有關(guān)于 hUCMSCs 雙向分化的培養(yǎng)條件的詳細(xì)報(bào)道。

廣州醫(yī)科大學(xué)附屬口腔醫(yī)院、云南省第一人民醫(yī)院口腔科、荷蘭阿姆斯特丹牙科學(xué)術(shù)中心等聯(lián)合團(tuán)隊(duì)的一項(xiàng)研究將 hUCMSCs 預(yù)誘導(dǎo)分化為成骨細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞,然后在篩選的培養(yǎng)基中以不同比例共培養(yǎng)。通過比較不同比例的誘導(dǎo)細(xì)胞在 3D 打印磷酸三鈣(TCP)支架上制備的組織工程骨移植物與顱骨臨界骨缺損的修復(fù)效果,探討并分析了預(yù)誘導(dǎo) hUCMSCs 雙向分化的共培養(yǎng)細(xì)胞的成骨效果,為 hUCMSCs 在骨組織工程中的應(yīng)用提供了一種先進(jìn)的方法。

 


hUCMSCs 的成骨分化

為了評(píng)估 hUCMSCs 的成骨分化能力,進(jìn)行了 ALP 活性定量和定性分析、成骨相關(guān)基因的表達(dá)和礦化結(jié)節(jié)的研究。成骨誘導(dǎo)4、7、10天后,成骨培養(yǎng)基(OM)中 hUCMSCs 的 ALP 染色呈紫色,比增殖培養(yǎng)基(PM)中的顏色更深,第 4 天觀察到的顏色最深(圖1 A),這與 ALP 活性定量檢測(cè)一致(圖1 B),表明觀察期內(nèi) OM 中 ALP 活性明顯高于 PM,并在第 4 天達(dá)到最高水平,分別是第 7 天和第 10 天的兩倍和三倍。同時(shí),成骨誘導(dǎo)后各檢測(cè)時(shí)間點(diǎn) ALP 和 OPN 的 mRNA 表達(dá)均顯著升高,并隨時(shí)間逐漸升高,而 RUNX2 和 COL1 基因的表達(dá)僅在第 4 天顯著升高(圖1 C )。ARS 誘導(dǎo)后第 3 周出現(xiàn)散在性鈣結(jié)節(jié),5 周后出現(xiàn)斑塊。PM 組未發(fā)現(xiàn)鈣結(jié)節(jié)(圖1 D)。

 

圖1   hUCMSCs 的成骨分化。
(A)非誘導(dǎo)和成骨誘導(dǎo)的 hUCMSCs 的 ALP 染色 4、7 和 10 天和(B)ALP 定量分析。
(C)成骨相關(guān)基因 ALP、RUNX2、COL1、OPN 在誘導(dǎo) 4、7、10 d后的表達(dá)。
(D)非誘導(dǎo)和成骨誘導(dǎo)的 hUCMSCs 的 ARS 持續(xù)3 周和 5 周。第 5 周在 OM 中觀察到更多的紅色沉積物。

hUCMSCs 的內(nèi)皮分化

內(nèi)皮細(xì)胞誘導(dǎo)培養(yǎng)基(EIM)誘導(dǎo)三天后,hUCMSCs 變得細(xì)長(zhǎng),呈多邊形,具有大量血管樣結(jié)構(gòu)。由于基質(zhì)膠上的管形成和 ac-LDL 吞噬作用是確定誘導(dǎo)的 MSCs 是否具有內(nèi)皮細(xì)胞功能的兩個(gè)代表性實(shí)驗(yàn),因此通過這兩個(gè)測(cè)試檢查了形態(tài)和功能的變化。研究表明,4 天的預(yù)誘導(dǎo) hUCMSCs 在基質(zhì)膠上接種 2.5 小時(shí)后,可以形成類似血管的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),而正常的 hUCMSCs 呈簇狀分布。同樣,預(yù)誘導(dǎo)的 hUCMSCs 可以吞噬 Dil-ac-LDL,在藍(lán)色細(xì)胞核周圍發(fā)現(xiàn)紅色熒光標(biāo)記的 ac-LDL,而非誘導(dǎo)的 MSCs 不具有相同的功能。免疫熒光染色顯示細(xì)胞誘導(dǎo)后呈圓形連接,在細(xì)胞質(zhì)中表達(dá)動(dòng)脈內(nèi)皮細(xì)胞標(biāo)記物 EphrinB2 和靜脈內(nèi)皮細(xì)胞標(biāo)記物 EphB4。QRT-PCR 檢測(cè)發(fā)現(xiàn),誘導(dǎo)后第 4、7、10 天血管生成基因 EFNB2、EPHB4、VEGF、bFGF 表達(dá)增強(qiáng),第 4 天 EFNB2、VEGF、bFGF 表達(dá)增強(qiáng)。所有測(cè)試的基因表達(dá)在第 7 天和第 10 天顯著下降。相比之下,除了抗血管生成基因 SPROUTY1 的表達(dá)顯著下降外,SERPINF1 和 ANGPTL1 的表達(dá)在整個(gè)期間增加,與 EFNB2、VEGF 和 bFGF 的表達(dá)相反。

共培養(yǎng)培養(yǎng)基的篩選

當(dāng)預(yù)誘導(dǎo)的 os-hUCMSCs 和 en-hUCMSCs 共培養(yǎng) 17 天時(shí),ARS 顯示在 PM 中以 3:1、2:2 和 1:3 的比例共培養(yǎng)的細(xì)胞也具有成骨分化能力,并可形成鈣結(jié)節(jié),與陽(yáng)性對(duì)照組無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。同樣,PM、OM、EMM(合成基礎(chǔ)培養(yǎng)基,OM/EIM)(2:2)組與對(duì)照組之間無(wú)顯著差異。僅在 PMM(比例混合培養(yǎng)基,OM/EIM)(3:1)培養(yǎng)基中,3:1 組形成大量散在性鈣結(jié)節(jié),與其他組相比明顯增加,光密度(OD)值比對(duì)照組高 5 倍左右。因此,選擇 PMM(3:1)作為后續(xù)的共培養(yǎng)基。

共培養(yǎng)對(duì) hUCMSCs 成骨和血管生成的影響

共培養(yǎng)后,3:1 組的細(xì)胞增殖率和 ALP 活性與 OM 中的 4:0 相似,為陽(yáng)性對(duì)照,而 3:1 組成骨相關(guān)基因 RUNX2、ALP 的蛋白表達(dá)高于 4:0 組。2:2 和 1:3 組的增殖率在整體觀察中維持在較高的標(biāo)準(zhǔn)。從成骨相關(guān)基因和蛋白表達(dá)來(lái)看,2:2 組的 ALP、RUNX2 及其蛋白表達(dá)最高。相比之下,1:3 組在第 1 天和第 2 天的 ALP 活性與其他組相比最高, 共培養(yǎng) 3 天后 ALP 基因表達(dá)下降, RUNX2 基因及其蛋白表達(dá)仍高于 4:0 組。

血管生成分析,與 0:4 組相比,3:1 組 ANG mRNA 表達(dá)量在第 3 天最高,2:2 組 PDGFB mRNA 表達(dá)量最高,1:3 組 VEGF mRNA 表達(dá)量最高。周細(xì)胞標(biāo)志物 CD146 與血管穩(wěn)定性有關(guān),其基因和蛋白表達(dá)從 3:1 組逐漸下降到 0:4 組。

為了進(jìn)一步說(shuō)明共培養(yǎng)系統(tǒng)的血管生成能力,采用了基質(zhì)膠管形成試驗(yàn)。預(yù)誘導(dǎo)3天(0天)后,en-hUCMSCs 混合百分比越高,基質(zhì)膠上形成的血管小管越多,呈更完整、更連續(xù)的圓形。但共培養(yǎng) 3 天后,0:4 組仍具有良好的血管生成能力,但其他組的管狀結(jié)構(gòu)明顯減弱,只有少量的分支結(jié)構(gòu)。

骨缺損的修復(fù)

手術(shù)后,所有大鼠均恢復(fù)良好。顯微CT顯示,術(shù)后4周,空白組缺損周邊區(qū)域的宿主骨僅長(zhǎng)出少量新骨。通過支架植入,支架上形成的骨骼更少。當(dāng)加入 os-hUCMSCs 時(shí),許多新骨沿支架均勻生長(zhǎng)。此外,os-hUCMSCs 與 en-hUCMSCs 的 3:1 比例可以顯著提高骨量、骨小梁數(shù)量和厚度。

為了進(jìn)一步確保骨形成結(jié)果,HE 和 Masson 三色染色均被應(yīng)用。從缺損區(qū)域新再生組織的大體上看,沿著宿主骨再生的少量粉紅色結(jié)締組織填充有輕微的新骨。通過支架植入,觀察到中央部分有類骨質(zhì),有少量毛細(xì)血管。通過 os-hUCMSCs 涂層支架植入,紅色染色的成熟骨在中心區(qū)域再生,沿著脫鈣 TCP 支架的多孔結(jié)構(gòu)形成致密、規(guī)則的結(jié)締組織。在 3:1 組中,大量成熟骨散布在深粉色的骨腔,周圍結(jié)締組織較少。經(jīng) Masson 三色染色,3:1 組可見深紅色染色的成熟骨和淺藍(lán)色染色的膠原蛋白,而 4:0 組形成的成熟骨較少。組織學(xué)的定量研究也驗(yàn)證了 3:1 組具有更大的骨誘導(dǎo)能力。

該研究證實(shí),hUCMSCs 具有稍弱的成骨分化能力,可以在短時(shí)間內(nèi)誘導(dǎo)分化成具有內(nèi)皮功能的內(nèi)皮樣細(xì)胞。雙向分化的 hUCMSCs 在 PM 中共培養(yǎng)成骨細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞,成骨能力顯著增強(qiáng)。此外,在相同比例的混合培養(yǎng)基中培養(yǎng)時(shí),3:1 組在體外和體內(nèi)均顯示出最佳的成骨能力。這種雙向預(yù)誘導(dǎo) hUCMSCs 的共培養(yǎng)策略為構(gòu)建具有生物活性的組織工程骨移植提供了一種新的方法,可用于臨床移植增強(qiáng)成骨能力。

參考文獻(xiàn):Rong Q, Li S, Zhou Y, Geng Y, Liu S, Wu W, Forouzanfar T, Wu G, Zhang Z, Zhou M. A novel method to improve the osteogenesis capacity of hUCMSCs with dual-directional pre-induction under screened co-culture conditions. Cell Prolif. 2020 Feb;53(2):e12740. doi: 10.1111/cpr.12740. Epub 2019 Dec 9. PMID: 31820506; PMCID: PMC7078770.
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