CN103388007A - 一种利用真皮来源的间充质干细胞制备组织工程脊髓的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用人源性真皮多能干细胞制备组织工程脊髓的方法,包括如下步骤:1)分离dMSCs,传代得dMSCs原代细胞;2)将分离得到的dMSCs原代细胞移入扩增培养基中进行扩增;3)将组织工程脊髓材料饱和水溶液,滴加到含深神经营养素、维甲酸和Neuregulin的生理盐水溶液中,静置,梯度酒精脱水后,真空干燥;将扩增后的dMSCs,以脑源性神经营养素腺病毒表达载体感染,将细胞接种到工程脊髓材料材料上,进行培养。本发明的方法中,组织工程脊髓可有效地促进细胞增殖,其向神经元和少突胶质细胞分化的比例为4.8%和1.5%左右,远远高于单纯支架材料的1.8%和0.5%。

Description

一种利用真皮来源的间充质干细胞制备组织工程脊髓的方法
技术领域
本发明涉及组织工程脊髓的制备方法,尤其涉及一种真皮来源的间充质干细胞制备组织工程脊髓的方法。
背景技术
脊髓损伤修复是临床救治的难点和重点之一,干细胞移植是治疗脊髓损伤较有前景的方法之一,但目前存在的主要问题有:1.干细胞的自体移植具有无免疫原性和使用方便等优点,但神经干细胞和胚胎干细胞等很难实现自体移植,而皮肤来源的干细胞来源丰富,可进行自体移植。皮肤来源的干细胞可在不同微环境的诱导下分化为包括神经元在内的多种类型的细胞,因而其应用于脊髓损伤修复具有良好的前景和实用价值。2.种子细胞不能更多地分化为神经元和少突胶质细胞等修复细胞,导致其修复效果不佳,因而需要寻找合适的手段诱导其更多地向神经元等分化。3.不适当的移植时机导致移植细胞不能有效地发挥其作用。有研究表明,脊髓损伤后细胞移植的较佳移植时机为伤后10天至2周左右,因而如何在这个时间窗内获得足够量的干细胞或经过合适的扩增条件获得足够量的干细胞是提高干细胞移植修复效果的一个需要解决的实际问题。4.组织工程中移植细胞的存活数量要大大少于修复所需细胞数量。因而需要寻找措施增加移植后干细胞的存活数量,或者增加内源性干细胞的动员,以提高干细胞移植的修复修复效果。
针对上述存在的问题,本领域技术人员致力于开发一种真皮来源的间充质干细胞(dermal multipotent stem cells,dMSCs)的快速增殖和诱导dMSCs更多向神经元和少突胶质细胞分化的方法。然后,以上述条件培养的人源性dMSCs为种子细胞构建组织工程脊髓,并将其利用到脊髓功能的修复上。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷,本发明所要解决的技术问题是提供一种利用真皮来源的间充质干细胞制备组织工程脊髓的方法。
为实现上述目的,本发明提供了一种利用dMSCs制备组织工程脊髓的方法,包括如下步骤:
1)、分离dMSCs
将皮肤样品酒精消毒后,胰酶消化,然后将真皮组织剪成细胞片并碎吹打成细胞悬液,过滤后接种于含DMEM培养液的培养瓶中,2h后,将悬浮的细胞离心后转移到dMSCs生长培养基中进行培养,6h后,弃培养液和悬浮细胞,继续培养早期贴壁细胞,反复传代,至有集落样细胞群体生成,并传代得dMSCs原代细胞。
2)、dMSCs快速扩增
将分离得到的dMSCs原代细胞移入扩增培养基中进行扩增,所述扩增培养基中含有50-80ng/ml的FGF2,或者含有FGF250-100ng/ml和血小板源性生长因子(Platelet-Derived Growth Factor,PDGF)30-50ng/ml。
3)、制备组织工程脊髓
将组织工程脊髓材料饱和水溶液,滴加到含NT3、维甲酸和Neuregulin的生理盐水溶液中,静置,然后吸走培养皿中的液体,将组织工程脊髓材料经过梯度酒精脱水后,真空干燥;
将扩增后的dMSCs,以BDNF腺病毒表达载体感染,12h后收集细胞接种到上述的工程脊髓材料材料上,加入培养基培养。
进一步地,所述步骤1)中,所述皮肤样品为,0.5×4cm2的全层皮肤,所述胰酶质量体积浓度为0.25%,所述dMSCs生长培养基为:IMEM/10%胎牛血清;培养条件为:湿化的培养箱中37℃培养。
进一步地,所述步骤2)中,所述扩增培养基为含有50-80ng/ml的碱性成纤维细胞生长因子2(fibroblast growth factor,FGF2),或者含有50-100ng/mlFGF2和30-50ng/ml血小板源性生长因子(Platelet-Derived Growth Factor,PDGF)的IMDM培养基。培养条件为:湿化的培养箱中37℃培养。
进一步地,所述步骤3)中,组织工程脊髓材料饱和水溶液和生理盐水的体积比为1∶1,生理盐水中NT3、维甲酸和Neuregulin的浓度分别为10ng/ml、6ng/ml和10ng/ml,静置时间为30-40min。
优选地,所述步骤3)中,细胞接种密度为5×105/ml,为含10%FBS的IMDM培养基,培养条件为:湿化的培养箱中37℃培养。
相对于单纯的组织材料,本发明的方法中,含有10ng/ml NT3、6ng/ml维甲酸、10ng/ml Neuregulin的组织工程材料可有效地促进细胞增殖,其向神经元和少突胶质细胞分化的比例为4.8%和1.5%左右,远远高于单纯支架材料的1.8%和0.5%。
附图说明
图1是本发明分离得到的dMSCs;
图2是βIII-tubulin检测dMSCs分化为神经元细胞;
图3是DAPI、GFAP和CNPas检测dMSCs分化为少突胶质细胞;
图4是不同浓度的细胞因子对dMSCs增殖的影响:
图5是伤后3d各组大鼠脊髓中BDNF表达情况,A-D分别对应A-D组大鼠脊髓(荧光免疫组织化学,×200);
图6是伤后7d各组大鼠功能评分。注:**:P<0.01,*:P<0.05和A组相比;ΔΔ:P<0.01,ΔP<0.05和D组相比。
本发明中所用组织工程脊髓材料为上海吉尔生化有限公司Sapeptide(sefl-assembling peptide)材料RAD15-II。
具体实施方式
实施例1分离dMSCs
脊髓损伤患者大腿内侧或背部皮肤常规消毒后,1%利多卡因麻醉,取大小约0.5×4cm2的全层皮肤。酒精消毒,剪取皮肤置于0.25%胰酶消化过夜。次日,Hank's液清洗后,去除表皮和皮下组织,将真皮组织剪成细胞碎片并吹打成细胞悬液,过滤后接种于培养瓶中,培养基为IMEM/10%胎牛血清。6h后,弃培养液和悬浮细胞,继续培养早期贴壁细胞。反复传代,至有集落样细胞群体生成,按常规方法接种和选取细胞克隆,并传代备用。分离出的dMSCs如图1所示。
其中,采用细胞免疫荧光组织化学检测dMSCs是否在诱导后向神经元和少突胶质细胞分化,采用的一抗分别是βIII-tubulin(神经元)、GFAP和CNPas(少突胶质细胞)。细胞免疫荧光组织化学的操作步骤简述如下:将dMSCs传代至24孔培养板,细胞约70%融合后加入含10ng/ml BDNF+10ng/ml NT3+6ng/ml维甲酸+5%FBS的培养基(诱导向神经元分化)或含有5%FBS+10ng/mlNeuregulin的培养基(诱导向少突胶质细胞分化)。诱导分化48h后,去除培养基,PBS漂洗后加入95%乙醇固定20min,PBS充分漂洗后加入相应的一抗,4℃过夜孵育。次日倾去一抗并用PBS充分漂洗后加入对应的荧光二抗,室温孵育约30min后PBS充分漂洗,荧光显微镜下观察并拍照记录。图2显示了dMSCs能够被成功诱导为神经元细胞,图3显示了dMSCs能够被成功诱导为少突胶质细胞。
实施例2dMSCs快速扩增
通常原代细胞的生长较为缓慢,为了在最佳移植时间窗内获得足够量的细胞,本实施例研究了不同生长因子对dMSCs的促增殖情况。通过文献调研可知,多种细胞因子参与干细胞增殖的调节,主要有碱性成纤维细胞生长因子(basicfibroblast growth factor-2,FGF-2)、表皮生长因子(epidermal growth factor,EGF)、白血病抑制因子(1eukemia inhibiting factor,LIF)、db-cAMP、胰岛素生长因子-1(insulin growth factor-1,IGF-1)、胰岛素生长因子-2(insulin growthfactor-2,IGF-2)、血小板源性生长因子(Plate derived growth factor,PDGF)、脑源性神经营养素(brain derived neurotrophic factor,BDNF)、神经营养素-3(neurotrophin-3,NT-3)、神经生长因子-B(nerve growth factor-β,NGF-β)、骨形态发生蛋白-4(bone morphogentic protein4,BMP-4)和activin A等,其中FGF-2、EGF和PDGF作用最为强大。但不同细胞因子对不同种类的干细胞作用及其机制不尽相同,同时上述细胞因子在影响干细胞增殖的同时,有可能还会影响其分化和迁移等生物学功能,需要给予注意。因而在观察各种因子的促增殖效果时,还要注意各种细胞因子对分化和迁移功能的影响。需要找到一种既能有效促进干细胞增值,又不影响其分化和迁移功能的培养基配方。
其中,细胞增殖活性的测定采用3H-TdR掺入和液体闪烁计数法测量,所需[甲基-H]胸腺嘧啶核苷(3H-TdR)购自中科学院上海原子核研究所,具体方法为:dMSCs在传代时调整细胞数为细胞数为3×105/ml,向每个培养瓶加入终浓度为2μCi/ml的3H-TdR,加入上述含有不同细胞因子的培养基培养。2天后收集细胞用HClO4-H2O2法65℃水浴消化。待完全消化后,用NaOH中和消化液至pH7.0。然后取0.1ml样本,加入1.5ml乙二醇/乙醚(1∶1)溶液和5ml二甲苯液闪烁4h后用LS6500液闪计数仪(Beckman COULTERTM,USA)进行液闪计数。细胞分化采用细胞荧光免疫组化学进行检测,方法简述为:将dMSCs传代至24孔培养板,细胞约70%融合后加入上述含有不同细胞因子的培养基培养48h后,去除培养基,PBS漂洗后加入95%乙醇固定20min,PBS充分漂洗后加入相应的一抗,4℃过夜孵育。次日倾去一抗并用PBS充分漂洗后加入对应的荧光二抗,室温孵育约30min后PBS充分漂洗,荧光显微镜下观察并拍照记录。细胞迁移功能采用Transwell的方法进行测定,简述如下:常规收集各种条件处理过的dMSC,取100μl细胞悬液,细胞数约1×105,接种于Transwell小室(Costar,USA)内。每组重复6个标本。约1h后,Transwell小室外加伤口液或正常组织液或生理盐水400μl。4小时后,取出Transwell小室,PBS冲洗,用棉签轻轻擦去微孔膜上层的细胞,95%酒精固定小室下层细胞,苏木素染色后高倍镜下计数。取10个视野的均数作为该样本从微孔膜上层迁移至下层的细胞数。
结果表明,对dMSCs而言,在单个因子的作用下,FGF2的作用最强,呈剂量依赖性,约在80ng/ml达到平台;联合因子的作用中,FGF2+PDGF的作用最强。两种培养条件没有影响dMSCs的分化和迁移特性。优化后的的dMSCs扩增培养基为:含有50-80ng/ml的碱性成纤维细胞生长因子2(fibroblast growthfactor,FGF2),或者含有50-100ng/ml FGF2和30-50ng/ml血小板源性生长因子(Platelet-Derived Growth Factor,PDGF)的IMDM培养基。优化后的培养条件可增加dMSCs的增殖速度约1.2倍。
实施例3dMSCs分化神经元和少突胶质细胞分化条件的优化
脊髓损伤局部微环境不利于移植的干细胞向神经元等修复细胞分化,为此需要首先摸索出增加干细胞向神经元等修复细胞分化的条件,然后再在组织工程脊髓中复合这些条件以提高干细胞移植的修复效果。
离体实验观察dMSCs向神经元和少突胶质细胞分化的条件。诱导向神经元分化的培养基有三种:(1)5%FBS;(2)6ng/ml维甲酸;(3)10ng/mlBDNF+10ng/mlNT3+6ng/ml维甲酸+5%FBS。向雪旺氏细胞诱导共使用两种诱导培养基:(1)5%FBS;(2)5%FBS+10ng/mlNeuregulin。结果表明在10ng/mlBDNF+10ng/mlNT3+6ng/ml维甲酸+5%FBS的培养基条件下诱导dMSCs向神经元的分化几率最高,约为5%。(3)5%FBS+10ng/mlNeuregulin的培养体系诱导dMSCs向少突胶质细胞分化的几率最高,约为3.2%。
在离体实验的基础上,观察了使用BDNF的腺病毒表达载体(Adv-BDNF)感染的dMSCs移植后对脊髓损伤修复效果的影响。方法:成年大鼠72只采用改良Allen重物打击法制作脊髓损伤模型[7],简述如下:将麻醉的大鼠俯卧位固定后显露T10节段的脊髓,用重20g、打击头直径为2.5mm的打击器自2.5cm高度自由落下,造成T10节段脊髓打击伤。然后随机分为4组:A组接受Adv-BDNF感染的dMSCs移植(n=18),移植前4h向dMSCs培养基中加入0.2ml第3代Adv-BDNF毒原液(病毒滴度约为1.5×1010PFU/ml,其中PFU为Plaque-formating unit,即空斑形成单位)。继续培养4h后,收集dMSCs调增细胞密度为1×107/ml,取100μl使用Hamilton注射器于损伤脊髓处缓慢注射。为防止细胞渗漏,注射完毕后保留注射器于原位5min。B组接受没有感染病毒载体的dMSCs移植(n=18),收集生长状态良好的dMSCs,调整到A组同样的密度,同样的方法注射到SCI(脊髓损伤)局部。C组接受单纯Adv-BDNF注射(n=18),SCI后在损伤局部注射100μl第3代Adv-BDNF毒原液,病毒滴度同上。D组不接受细胞移植或病毒注射,为单纯损伤对照组(n=18)。为防止膀胱感染,术后每天行人工挤压膀胱排尿2次。然后采用免疫荧光组织化学检测损伤SCI局部BDNF的表达情况,简述如下:移植后3d和7d每组取6只大鼠致死后取材,95%酒精固定后常规制备5μm石蜡切片,PBS漂洗3次,然后加非特异性封闭血清封闭后加一抗,4℃孵育过夜。PBS漂洗3次后加入相对应的荧光二抗,室温孵育1h。荧光显微镜观察。
采用流式细胞仪计数检测损伤脊髓局部的细胞凋亡情况,方法简述如下:取伤后3d大鼠脊髓,每组6只,常规消化后离心取细胞用冷PBS洗细胞两次,加入预冷70%乙醇,于4℃固定过夜。离心收集细胞,以lmL的PBS洗细胞一次,加入500μL含50ug/mL溴化乙锭、100μg/mL RNase A、0.2%Triton X-100的PBS,上机检测凋亡细胞的百分比。
结果表明,Adv-BDNF感染的dMSCs移植后的修复效果优于单纯dMSCs移植组,向神经元分化的几率也较高,细胞存活数量高(图5),伴有更好的功能恢复(图6)。
图5显示的是伤后3d SCI局部BDNF阳性细胞(绿色荧光),可见A组大鼠损伤脊髓中有多量BDNF阳性细胞,大部分为长梭状,少量为神经元样细胞(图5A),提示大部分BDNF阳性细胞为dMSCs,其余可能为少量dMSCs坏死崩解后释放的病毒感染SCI局部的神经元引起其表达阳性,还有可能是SCI引起SCI局部反应出现BDNF阳性细胞。C组大鼠局部可见到多量的BDNF阳性细胞,多为神经元形状(图5C),提示Adv-BDNF局部注射可有效地感染SCI局部的神经细胞。B组和D组SCI局部BDNF阳性细胞数量明显为少(图5B和D)。伤后7d,A组和C组大鼠SCI局部BDNF阳性细胞数量无明显减少,B组和D组数量无明显变化。
SCI急性期(1-3d)为局部细胞凋亡的高峰期,所以我们选择了3d这个时相点观察细胞的凋亡情况。结果显示,A组大鼠SCI局部细胞的凋亡率约为4.7%±0.36%,略低于C组(4.9%±0.29%),但无显著差异(t=2.43,P>0.05),但明显低于B组6.2%±0.42%,t=8.654,P<0.05)和D组6.7%±0.45%,t=9.243,P<0.05)。
伤后7d评价BBB法评价各组大鼠功能恢复情况(图6),结果显示,A组大鼠功能恢复最好,明显好于其他各组(P<0.05)。而B组和C组大鼠功能恢复相当,无显著差异(P>0.05),均高于D组(P<0.05)。
实施例4制备组织工程脊髓
在室温下饱和水溶液1ml,滴加到35mm的盛有1ml含10ng/mlNT3、6ng/ml维甲酸、10ng/mlNeuregulin生理盐水溶液的培养皿中,底部预先放置一大小约2cm×2cm的盖玻片。静置30-40min后,动作轻柔地从边缘吸走培养皿中的液体。将Sapeptide材料经过梯度酒精(30%、50%、70%、90%和100%)脱水后,在用真空干燥器干燥。
上述方法分离培养和扩增dMSCs后,以BDNF腺病毒表达载体感染之,12h后收集细胞并计数以5×105/ml的密度接种到Sapeptide材料上,加入1ml培养基,每4h观察并根据情况再次添加适量培养基,培养24h进行离体观察,或者培养12h进行在体移植。
离体观察的项目有细胞的分化和增殖情况。其中,分化使用细胞免疫组织化学的方法,具体操作同前,增殖采用针对Ki67的细胞免疫组织化学,具体操作同前。结果发现,相对于单纯的组织材料,含有1NT3、6ng/ml维甲酸、10ng/mlNeuregulin的组织工程材料可有效地促进细胞增殖,其向神经元和少突胶质细胞分化的比例为4.8%和1.5%左右,远远高于单纯支架材料的1.8%和0.5%。
然后我们将构建负载BDNF腺病毒感染的dMSC的组织材料移植到小鼠体内,移植后1w、2w和3w常规收集标本,分别进行针对GFP的实时定量PCR(SybGreen技术)计量脊髓中存活的细胞量、免疫组织化学分析细胞的分化情况、BBB功能评定小鼠神经功能恢复情况。其中,小鼠模型同前,BBB评分法简述如下:A.通过观察下肢针刺反射评估感觉功能:0,无反射;1,一侧肢体反射;2,两侧肢体反射;3,头从一侧转向刺激;4,头从两侧转向刺激;5,一侧对照肢体收缩;6,两侧对照肢体收缩;运动功能评分系统:0,无后肢运动(BBB评分0);1,痉挛的、非控制性一侧后肢运动(BBB评分1-2);2,痉挛的、非控制性两侧后肢运动(BBB评分3-5);3,一侧后肢控制性运动(BBB评分6-7);4,两侧后肢控制性运动(BBB评分8-9);5,一侧后肢辅助行走(BBB评分10-12);6,两侧后肢辅助行走(BBB评分13-21)。
观察结果表明,复合组织材料移植后细胞存活量明显高于对照组,移植细胞向神经元和分化的比例为2.8%,明显高于对照组,同时,小鼠的功能恢复明显高于对照组。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解,本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此,凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案,皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种利用dMSCs制备组织工程脊髓的方法,包括以下步骤:
1)、分离dMSCs
将皮肤样品酒精消毒后,胰酶消化,然后将真皮组织剪成细胞片并碎吹打成细胞悬液,过滤后接种于含DMEM培养液的培养瓶中,2h后,将悬浮的细胞离心后转移到dMSCs生长培养基中进行培养,6h后,弃培养液和悬浮细胞,继续培养早期贴壁细胞,反复传代,至有集落样细胞群体生成,并传代得dMSCs原代细胞;
2)、dMSCs快速扩增
将分离得到的dMSCs原代细胞移入扩增培养基中进行扩增,所述扩增培养基中含有50-80ng/ml的碱性成纤维细胞生长因子2,或者含有FGF250-100ng/ml和血小板源性生长因子30-50ng/ml。
3)、制备组织工程脊髓
将组织工程脊髓材料饱和水溶液,滴加到含NT3、维甲酸和Neuregulin的生理盐水溶液中,静置,然后吸走培养皿中的液体,将组织工程脊髓材料经过梯度酒精脱水后,真空干燥;将扩增后的dMSCs,以脑源性神经营养素腺病毒表达载体感染,12h后收集细胞接种到上述的工程脊髓材料材料上,加入培养基培养。
2.如权利要求1所述的方法,其中所述步骤1)中,所述皮肤样品为,0.5×4cm2的全层皮肤。
3.如权利要求1所述的方法,其中所述步骤1)中,所述胰酶质量体积浓度为0.25%,所述dMSCs生长培养基为:IMEM/10%胎牛血清;培养条件为:湿化的培养箱中37℃培养。
4.如权利要求1所述的方法,其中所述步骤2)中,所述扩增培养基为:含有50-80ng/ml的碱性成纤维细胞生长因子2,或者含有50-100ng/ml FGF2和30-50ng/ml血小板源性生长因子的IMDM培养基。培养条件为:湿化的培养箱中37℃培养。
5.如权利要求1所述的方法,其中所述步骤3)中,所述组织工程脊髓材料饱和水溶液和所述生理盐水的体积比为1∶1,所述生理盐水中NT3、维甲酸和Neuregulin的浓度分别为10ng/ml、6ng/ml和10ng/ml,所述静置时间为30-40min。
6.如权利要求1所述的方法,其中所述步骤3)中,细胞接种密度为5×105/ml,培养基组分为含10%FBS的IMDM培养基,培养条件为:湿化的培养箱中37℃培养。
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