CN102965330B - 一种提供多种细胞协同生长的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种提供多种细胞协同生长的方法，其特征是将生理条件下制备的水凝胶载体，以大载体中包埋小载体的方式，在不同载体中培养不同种类细胞，提供研究细胞间化学信号传递和相互作用的方法。该方法的最大优点是载体中可含有一种或二种以上不同种类的细胞或组织；提供不同种类细胞的非直接接触空间；实现不同种类细胞或组织均在三维环境中的生长；不同细胞间通过化学信号传递产生生物学效应；细胞间相互作用后产生的效应可以通过分别破碎各载体依次获得不同种类细胞来考察；实际应用时易于回收和规模放大。
Description
技术领域
本发明涉及一种提供多种细胞协同生长的方法，还涉及与该方法相关的制备材料和制备工艺。
背景技术
随着细胞生物学的发展，人们越来越认识到不同种类细胞间相互作用的重要性。而细胞间相互作用的研究包含了几个方面：细胞间直接接触产生生物学效应；细胞间通过细胞外基质产生生物学效应；细胞间通过化学信号配体、受体产生生物学效应等。而目前对上述效应的研究和应用都是在开放体系，细胞间直接接触共培养的情况下进行。这种方法的最大缺点就是难以区别细胞间相互作用的产生是由于直接接触效应还是单纯的化学信号传导效应，且不同种类细胞不易分离，无法考察相互作用后单种细胞产生的生物学效应。针对此问题，有研究者发明了Transwell insert技术[参考文献：Le Visage，C；Dunham，B；Flint，P，et al..Coculture ofmesenchymal stem cells and respiratory epithelial cells to engineera human composite respiratory mucosa，Tissue Engineering，2004，10：1426-1435]，实现细胞分层培养，互不接触，仅通过培养液实现信号传导，分析细胞间的相互作用。但该技术的最大缺陷是无法提供细胞模拟在体的三维环境，应用时无法实现规模放大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型的实现多种细胞协同生长的方法，是将生理条件下制备的水凝胶载体，以大载体中包埋小载体的方式，在不同载体中培养不同种类的细胞，通过控制小载体膜孔隙的截留分子量、表面电荷、粗糙度等参数，提供研究细胞间化学信号传递和相互作用的方法。该方法的结构示意图见附图1。该方法与“生物人工反应装置中的两步微囊制备方法”[专利申请号200910029377.9]最大的区别在于大载体不具有半透膜结构，由此可采用不同方法破碎大载体和小载体，从而实现分别回收不同载体中的不同细胞，有利于下游实验的操作，使得该方法可用于细胞间相互作用的研究。
本发明提供的方法可用于研究存在于两种不同细胞间的相互作用，如子宫内膜基质细胞可调控上皮细胞的增殖和分化，软骨细胞可诱导骨髓间充质干细胞向软骨细胞分化，激活的小胶质细胞可调控神经元的存活；也可用于研究存在于多种细胞间的相互作用，如树突状细胞和细胞因子诱导的杀伤细胞可杀伤肿瘤细胞，肿瘤细胞和肌成纤维细胞可促进血管内皮细胞活化；也可用于研究存在于细胞和组织间的相互作用，如骨髓间充质干细胞可保护胰岛的功能和活性，椎间盘可诱导骨髓间充质干细胞向椎间盘样细胞分化。
为实现上述目的，本发明的制备方法和工艺流程如下：
1)将细胞a均匀分散到10-40g/L海藻酸钠溶液中，在0.01-1.0mol/L的CaCl2溶液作为凝胶浴或以0.05-0.1mol/L碳酸钙、柠檬酸钙、乳酸钙颗粒为分散相的条件下，制备出包埋有细胞a的海藻酸钙微球，再与pH4-6的1-8g/L壳聚糖或0.2-1g/L聚赖氨酸、聚精氨酸、聚鸟氨酸中的一种溶液反应成膜，制备出包埋有细胞a的海藻酸钙微胶囊；
也可以在步骤1之后，用钙离子螯合剂20-80mmol/L柠檬酸钠或0.5-10mmol/L EDTA使水凝胶载体A内部液化，制备出内部为液体环境的包埋有细胞a的海藻酸钠微胶囊；
2)将包埋有细胞a的海藻酸钙微胶囊和细胞b共同均匀分散到10-40g/L海藻酸钠溶液中，在0.01-1.0mol/L的CaCl2溶液作为凝胶浴或以0.05-0.1mol/L碳酸钙、柠檬酸钙、乳酸钙颗粒为分散相的条件下，制备出包埋有含细胞a的海藻酸钙微胶囊和细胞b的海藻酸钙微球；
3)经过培养后，当需要回收细胞时，用钙离子螯合剂20-80mmol/L柠檬酸钠或0.5-10mmol/L EDTA使水凝胶载体B液化，释放载体B中的细胞b，经过过滤，细胞b与包埋有细胞a的海藻酸钙微胶囊分离，离心收集细胞b。再通过用机械方法如研磨或化学方法如“一种在生理条件下溶解载细胞微胶囊的方法及配方”[专利申请号02127631.5]中提供的方法进行包埋有细胞a的海藻酸钙微胶囊的破碎，释放出包埋的细胞a，离心收集细胞a。
需要说明的是，关于制备海藻酸钙微球或海藻酸钠微胶囊的方法是一种公知的技术，比如采用静电液滴法、气动液滴法、乳化-外部凝胶化法、乳化-内部凝胶化、膜乳化/内部凝胶化、膜乳化/外部凝胶化等均可以制备出本发明所述的海藻酸钙微球或海藻酸钠微胶囊(载体A、B均可采用如下文献工艺内容进行操作)，为简明起见，本发明对这些公知技术不作详细描述。有关这些公知技术的详细报道可参阅：
静电液滴法[参阅文献：Hommel M，Sun AM，Goosen MFA.Dropletsgeneration.Canadian patent No.1241598，1988]；
气动液滴法[参阅文献：Miyawaki O，Nakamura K，Yano T.Agric.Biol.Chem.1980，44：2865-2870]；
乳化/内部凝胶化[参阅文献：刘群，马小军，刘袖洞。一种乳化/内部凝胶化制备海藻酸钙凝胶珠的方法。中国专利No.ZL01109449.4]；
膜乳化/内部凝胶化[参阅文献：刘袖洞，马小军，刘群。一种制备海藻酸钙凝胶珠的膜乳化/内部凝胶化耦合技术，中国专利No.ZL01104365.2]；
乳化/外部凝胶化[参阅文献：Lucinda-silva RM，Evangelista RC.J.Microencapsulation，2003，20：145-152]
膜乳化/外部凝胶化[参阅文献：You JO，Park SB，Park HY，Haam S，Chung CH，Kim WS.J.Microencapsulation，2001，18：521-532]
海藻酸钠微胶囊[参阅文献1：Ma X，Vacek I，Sun A.Artif Cells BloodSubstit Immobil Biotechnol，1994，22：43-69；参阅文献2：McknightC.A.，Ku A，Goosen M.F.A.，Sun D，Penney C.J BIOACT COMPAT POL，1988，3：334-355]
通过上述工艺制备出的包埋有细胞a的载体A和包埋有细胞b的水凝胶载体B，两种载体在空间形成了细胞a、b的非直接接触效应，用于研究不同种类细胞间的协同生长。
上述两种载体的空间分布是载体B包含载体A，载体B粒径大于载体A粒径；每种载体中含有一种细胞或二种以上不同种类的细胞或组织，且不同种类细胞或组织均处于三维培养环境。
其中，载体A制备成具有半透膜结构的微胶囊，膜孔隙大小由载体A和聚阳离子高分子材料的浓度决定，其截留分子量在60KDa-200KDa可控[截留分子量检测方法参阅文献：解玉冰，马小军，虞星炬，袁权。膜科学与技术，1997，17：15-19]。载体B制备成不具有半透膜结构的微球，从而实现两种载体可分别采用不同破碎方法先后释放出其中的细胞，即：首先用钙离子螯合剂使水凝胶载体B液化，释放载体B中的细胞b，经过过滤，细胞b与载体A分离，离心收集细胞b；再通过机械方法或化学方法破碎载体A，释放出包埋的细胞a，离心收集细胞a，从而实现细胞间发生相互作用后的分别获得，分别考察不同细胞的生物学效应。
本发明具有如下优点：
1、每种载体中可含有一种或二种以上不同种类的细胞或组织；
2、提供不同种类细胞的非直接接触空间；
3、实现不同种类细胞或组织均在三维环境中的生长；
4、不同细胞间通过化学信号传递产生生物学效应；
5、细胞间相互作用后产生的效应可以通过分别破碎各载体依次获得不同种类细胞来考察；
6、实际应用时易于回收和规模放大；
附图说明
图1为含细胞b的载体B包埋含细胞a的载体A的结构示意图。1载体A，2细胞a，3细胞b，4载体B。
具体实施方式
1.考察软骨细胞与骨髓间充质干细胞两种细胞间的相互作用
1)从SD大鼠(4周龄)取得股骨和胫骨，用一次性注射器吸取无血清DMEM培养基冲洗骨髓腔，获得骨髓细胞，经细胞密度梯度离心法分离纯化，用含15％胎牛血清的DMEM细胞培养基，于37℃、5％CO2、饱和湿度培养箱内培养传代，至第3代后，运用流式细胞仪检测细胞表面标记物进行骨髓间充质干细胞的验证；
2)从SD大鼠(4周龄)的股骨和胫骨头表面获取关节软骨，剪碎后，用2g/L的胰蛋白酶消化5hr后，再按体积比1∶10加入2.5g/L的II型胶原酶消化，获取关节软骨细胞，用含15％胎牛血清的DMEM细胞培养基，于37℃、5％CO2、饱和湿度培养箱内进行原代培养，并运用甲苯胺蓝及苏木精/伊红染色进行关节软骨细胞的验证；
3)将关节软骨细胞以1×106个/ml密度均匀分散到15g/L海藻酸钠溶液中，在0.01mol/L的CaCl2溶液作为凝胶浴，采用静电液滴法，制备出粒径为350μm包埋有关节软骨细胞的海藻酸钙微球，再与0.5g/L聚赖氨酸水溶液反应10min成膜，之后用55mmol/L柠檬酸钠溶液使内部液化，制备出内部为液体环境的包埋有关节软骨细胞的海藻酸钠微胶囊；
4)将第3代骨髓间充质干细胞以1×106个/ml密度均匀分散到15g/L海藻酸钠溶液中，再按1∶3体积比和包埋有关节软骨细胞的海藻酸钠微胶囊混匀，在0.01mol/L的CaCl2溶液作为凝胶浴，采用静电液滴法，制备出粒径为600μm包埋有含关节软骨细胞的海藻酸钠微胶囊和骨髓间充质干细胞的海藻酸钙微球，清洗后，用含15％胎牛血清的DMEM细胞培养基，于37℃、5％CO2、饱和湿度培养箱内培养；
5)培养5、10、15天后，用55mmol/L柠檬酸钠溶液使海藻酸钙微球液化，释放海藻酸钙微球中的骨髓间充质干细胞和海藻酸钠微胶囊，经过筛网过滤，骨髓间充质干细胞与海藻酸钠微胶囊分离，1000rpm离心5min收集骨髓间充质干细胞，备用；再通过用机械研磨方法进行海藻酸钠微胶囊的破碎，释放出包埋的关节软骨细胞，经过筛网过滤除去微囊碎片，1000rpm离心5min收集关节软骨细胞，备用；
6)运用阿利新蓝比色法测定骨髓间充质干细胞氨基聚糖含量，具体操作如下：将回收的骨髓间充质干细胞用4℃预冷的PBS清洗；加入细胞裂解液，冰上裂解30min后，12000rpm离心5min；吸取上清，加入PBS至1ml；加入0.5ml 5mg/L胰蛋白酶37℃水解24hr；加入0.5ml 5mg/L木瓜蛋白酶37℃水解24hr，备用；氨基聚糖标准曲线绘制：加入1ml浓度为1、5、10、15、20、25、35、50mg/L的标准硫酸软骨素溶液，空白对照加入1ml去离子水，再加入1.5ml 1.4g/L的阿利新蓝染液，混匀，10min后测定480nm的吸光度，绘制标准曲线；取样品1ml，加入1.5ml 1.4g/L的阿利新蓝染液，混匀，10min后测定480nm的吸光度，并通过标准曲线计算出样品中氨基聚糖含量。结果提示氨基聚糖含量随着培养时间的延长而增加，说明关节软骨细胞可通过非直接接触方式诱导骨髓间充质干细胞向软骨细胞分化；
2.考察肿瘤细胞和成纤维细胞两种细胞与血管内皮细胞间的相互作用
1)将人胶质瘤细胞U87和人胚肺成纤维细胞HELF等比例以2×106个/ml密度均匀分散到15g/L海藻酸钠溶液中，在0.01mol/L的CaCl2溶液作为凝胶浴，采用静电液滴法，制备出粒径为350μm包埋有人胶质瘤细胞U87和人胚肺成纤维细胞HELF的海藻酸钙微球，再与0.5g/L聚赖氨酸水溶液反应10min成膜，之后用55mmol/L柠檬酸钠溶液使内部液化，制备出内部为液体环境的包埋有人胶质瘤细胞U87和人胚肺成纤维细胞HELF的海藻酸钠微胶囊；
2)将人脐静脉内皮细胞ECV304以2×106个/ml密度均匀分散到15g/L海藻酸钠溶液中，再按1∶3体积比和包埋有人胶质瘤细胞U87和人胚肺成纤维细胞HELF的海藻酸钠微胶囊混匀，在0.01mol/L的CaCl2溶液作为凝胶浴，采用静电液滴法，制备出粒径为600μm包埋有含人胶质瘤细胞U87与人胚肺成纤维细胞HELF的海藻酸钠微胶囊和人脐静脉内皮细胞ECV304的海藻酸钙微球，清洗后，用含15％胎牛血清的RPMI1640细胞培养基，于37℃、5％CO2、饱和湿度培养箱内培养；
3)培养1天和5天后，用55mmol/L柠檬酸钠溶液使海藻酸钙微球液化，释放海藻酸钙微球中的人脐静脉内皮细胞ECV304和海藻酸钠微胶囊，经过筛网过滤，细胞ECV304与海藻酸钠微胶囊分离，1000rpm离心5min收集细胞ECV304，备用；
4)运用RT-PCR方法检测人脐静脉内皮细胞ECV304细胞周期素Cyclin E表达，具体操作如下：将回收的ECV304细胞用PBS清洗，采用Trizol法提取总RNA；按照试剂盒说明书进行反转录和PCR反应；上游引物：5’-CTG GAT GTT GAC TGC CTT GA-3’，下游引物：5’-CCG CTG CTC TGCTTC TTA C-3’；反应参数：95℃预变性5min，95℃变性40sec，53℃退火35sec，72℃延伸35sec，共30个循环，于72℃保温10min终止反应；反应产物进行琼脂糖凝胶电泳并进行半定量分析。结果提示培养5天后，ECV304细胞Cyclin E表达上调，说明肿瘤细胞和成纤维细胞两种细胞共培养可通过非直接接触方式促进内皮细胞的增殖。
3.考察骨髓间充质干细胞与胰岛间的相互作用
1)从BALB/c小鼠(8周龄)取得股骨和胫骨，用一次性注射器吸取无血清RPMI1640培养基冲洗骨髓腔，获得骨髓细胞，用含20％胎牛血清的RPMI 1640细胞培养基，于37℃、5％CO2、饱和湿度培养箱内进行差速贴壁培养，传代至第5代，运用流式细胞仪检测细胞表面标记物进行骨髓间充质干细胞的验证；
2)将BALB/c小鼠(8周龄)处死后，打开腹腔，暴露胆总管，结扎胆胰管在十二指肠的开口，沿胆总管逆行灌注Hank’s液(含0.5mg/ml胶原酶P和8mg/ml DNase I)，胰腺膨胀后，立即摘除胰腺组织，置入4℃Hank’s液清洗后，剪成小块，于37℃振荡消化，成絮状后，立即加入4℃Hank’s液，离心洗涤，之后加入Hank’s液混悬，运用110g/L、200g/L、230g/L的Ficoll进行梯度离心，纯化胰岛，并运用DTZ进行胰岛的验证；
3)将分离得到的100μm左右的胰岛均匀分散到15g/L海藻酸钠溶液中，在0.01mol/L的CaCl2溶液作为凝胶浴，采用静电液滴法，制备出粒径为300-400μm包埋有胰岛的海藻酸钙微球，再与5g/L壳聚糖(MW40kD)醋酸溶液反应5min成膜，之后用55mmol/L柠檬酸钠溶液使内部液化，制备出内部为液体环境的包埋有胰岛的海藻酸钠微胶囊；
4)将第5代骨髓间充质干细胞以1×106个/ml密度均匀分散到15g/L海藻酸钠溶液中，再按1∶3体积比和包埋有胰岛的海藻酸钠微胶囊混匀，在0.01mol/L的CaCl2溶液作为凝胶浴，采用静电液滴法，制备出粒径为600-700μm包埋有含胰岛的海藻酸钠微胶囊和骨髓间充质干细胞的海藻酸钙微球，清洗后，用含20％胎牛血清的RPMI1640细胞培养基，于37℃、5％CO2、饱和湿度培养箱内培养；
5)培养1天和10天后，离心收集上清，备用。并用55mmol/L柠檬酸钠溶液使海藻酸钙微球液化，释放海藻酸钙微球中的骨髓间充质干细胞和海藻酸钠微胶囊，经过筛网过滤，骨髓间充质干细胞与海藻酸钠微胶囊分离；再通过用含5mol/L EDTA、20mmol/L碳酸氢钠和35mmol/L柠檬酸钠的破囊液按体积比10∶1与海藻酸钠微胶囊混合，进行海藻酸钠微胶囊的破碎，释放出包埋的胰岛，1000rpm离心3min收集胰岛，备用；
6)运用酶联免疫法检测上清中胰岛素含量，具体操作按试剂盒说明书进行，通过测定，可知培养10天后胰岛素分泌水平提高，说明骨髓间充质干细胞可通过非直接接触方式维持胰岛的功能；
7)运用Calcein AM/ED-1活性染色检测胰岛活性，具体操作如下：加入Hank’s液1000rpm离心3min洗涤胰岛；吸弃Hank’s液，加入2μmol/L Calcein AM和4μmol/L ED-1染液覆盖胰岛；37℃孵育45min；于共聚焦显微镜下对胰岛进行断层扫描，可观察到培养10天后仍能维持胰岛活性，说明骨髓间充质干细胞可通过非直接接触方式维持胰岛的活性。
Claims (3)
1.一种提供多种细胞协同生长的方法，其特征在于：
1）首先制备包埋有细胞a的水凝胶载体A；再将包埋有细胞a的水凝胶载体A与聚阳离子高分子溶液反应成膜；
2）再将包膜的水凝胶载体A与另一种细胞b共同分散到水凝胶制备材料中，制备出包埋有包膜的载体A和细胞b的水凝胶载体B，两种载体在空间形成了细胞a、b的非直接接触效应；
3）其中，细胞a或b分别可以为一种或二种以上不同种类的细胞或组织；细胞a和细胞b之间通过非直接接触效应协同生长，细胞a或b可以影响细胞b或a的增殖、凋亡、分化、细胞外泌功能中的一种或多种；
制备载体A的水凝胶材料为海藻酸钠，采用静电液滴法、气动液滴法、乳化-内部凝胶化、膜乳化/内部凝胶化、乳化-外部凝胶化或膜乳化/外部凝胶化方法制备出海藻酸钙微球，再采用壳聚糖、聚赖氨酸、聚精氨酸或聚鸟氨酸包膜制备出海藻酸钙微胶囊；
载制备体B的水凝胶材料为海藻酸钠，采用静电液滴法、气动液滴法、乳化-内部凝胶化、膜乳化/内部凝胶化、乳化-外部凝胶化或膜乳化/外部凝胶化方法制备出海藻酸钙微球；
经过培养后，载体A和载体B内的细胞a和细胞b可分别收集；载体A和载体B破碎解离的方法不同；
首先用钙离子螯合剂20-80mmol/L柠檬酸钠或0.5-10mmol/L EDTA使水凝胶载体B液化，释放载体B中的细胞b，经过过滤，细胞b与包埋有细胞a的海藻酸钙微胶囊分离，离心收集细胞b；
再通过机械方法或化学方法破碎包埋有细胞a的海藻酸钙微胶囊，释放出包埋的细胞a，离心收集细胞a，从而实现细胞间发生相互作用后的分别获得，分别考察不同细胞的生物学效应。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：
具体制备步骤如下：
①将细胞a均匀分散到10-40g/L海藻酸钠溶液中，在0.01mol/L的CaCl2溶液作为凝胶浴制备出包埋有细胞a的海藻酸钙微球，或以0.05-0.1mol/L碳酸钙、柠檬酸钙、乳酸钙颗粒为分散相的条件下，采用静电液滴法、气动液滴法、乳化-内部凝胶化、膜乳化/内部凝胶化、乳化-外部凝胶化或膜乳化/外部凝胶化方法制备出包埋有细胞a的海藻酸钙微球，再与pH4-6的1-8g/L壳聚糖溶液或0.2-1g/L聚赖氨酸、聚精氨酸、聚鸟氨酸中的一种溶液反应成膜，制备出包埋有细胞a的海藻酸钙微胶囊；
②将包埋有细胞a的海藻酸钙微胶囊和细胞b共同均匀分散到10-40g/L海藻酸钠溶液中，在0.01mol/L的CaCl2溶液作为凝胶浴或以0.05-0.1mol/L碳酸钙、柠檬酸钙、乳酸钙颗粒为分散相的条件下，采用静电液滴法、气动液滴法、乳化-内部凝胶化、膜乳化/内部凝胶化、乳化-外部凝胶化或膜乳化/外部凝胶化方法制备出包埋有含细胞a的海藻酸钙微胶囊和细胞b的海藻酸钙微球；
③经过培养后，当需要回收细胞时，首先用钙离子螯合剂20-80mmol/L柠檬酸钠或0.5-10mmol/L EDTA使水凝胶载体B液化，释放载体B中的细胞b，经过过滤，细胞b与包埋有细胞a的海藻酸钙微胶囊分离，离心收集细胞b；
再通过用机械方法或化学方法进行包埋有细胞a的海藻酸钙微胶囊的破碎，释放出包埋的细胞a，离心收集细胞a。
3.按照权利要求2所述的方法，其特征在于：在步骤①之后，用钙离子螯合剂20-80mmol/L柠檬酸钠或0.5-10mmol/L EDTA使水凝胶载体A内部液化，制备出内部为液体环境的包埋有细胞a的海藻酸钠微胶囊。
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| CN1837358A (zh) * | 2006-04-17 | 2006-09-27 | 大连理工大学 | 一种三维条件下扩增造血干细胞的方法 |
| CN102102090A (zh) * | 2009-12-16 | 2011-06-22 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种非接触共培养诱导干细胞体外定向分化的方法 |
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|---|---|---|---|---|
| US20030087985A1 (en) * | 1990-10-15 | 2003-05-08 | Hubbell Jeffrey A. | Gels for encapsulation of biological materials |
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2011
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