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模擬腦內(nèi)移植環(huán)境追蹤間充質(zhì)干細胞移植功能重建體外實驗研究

發(fā)布時間:2020-06-06 10:17
【摘要】:間充質(zhì)干細胞(mesenchymal stem cells, MSCs)因其具備自我更新、無限增殖、多向分化潛能等優(yōu)越性,成為神經(jīng)醫(yī)學基礎實驗研究關注的熱點,為疾病的臨床治療帶來新的希望。在中樞神經(jīng)系統(tǒng)(central nervous system, CNS)疾病中,缺血性腦卒中、顱腦外傷、帕金森病、肌萎縮側索硬化癥、脊髓損傷等給家庭與社會帶來沉重的負擔。目前為止,尚缺少特別理想的治療方法,因此,尋找新的治療策略勢在必行。 間充質(zhì)干細胞在再生醫(yī)學中的作用已基本得到學術界的認可。由間充質(zhì)干細胞分化來的神經(jīng)干細胞(neural stem cells, NSCs)在修復CNS功能損害中的作用亦受到廣泛關注,并取得一定樂觀結果。然而,這些移植的間充質(zhì)干細胞是通過何種途徑、何種機理而完成修復作用,尚無確切定論。目前為止,有分化細胞替代假說、營養(yǎng)因子假說、免疫調(diào)控假說、抗炎假說、以及結構整合假說等。本研究以間充質(zhì)干細胞移植修復顱腦損傷為研究目標,以結構整合機制為探索重點,在體外模擬腦內(nèi)微環(huán)境、通過“間充質(zhì)干細胞-皮層神經(jīng)元共培養(yǎng)體系”的實驗分析,探討了可能存在的二者結構整合及條件,為干細胞再生醫(yī)學理論提供新的數(shù)據(jù)。 間充質(zhì)干細胞來源豐富,包括骨髓源間充質(zhì)干細胞、脂肪源間充質(zhì)干細胞、臍帶干細胞、臍血干細胞、胎盤干細胞、胚胎干細胞,多能誘導干細胞等。其中,骨髓源間充質(zhì)干細胞(bone marrow mesenchymal stem cells, BMSCs)與脂肪源間充質(zhì)干細胞(adipose derived mensenchymal stem cells, ADSCs)具有可自體移植,無免疫排斥以及不涉及倫理道德等特點在治療研究中應用較多,但二者又各有所長,前者具有較強的免疫調(diào)節(jié)能力,后者具備增殖速率快與克隆形成率高的特點,本研究在第一、二章節(jié)中選用增殖速率快與克隆形成率高的ADSCs,在第三章選用有較強的免疫調(diào)節(jié)能力的BMSCs為實驗對象。 無論采用哪種干細胞移植進行CNS損傷修復研究,都將涉及移植干細胞在中樞神經(jīng)組織功能重建問題,這種功能重建很大程度上受移植細胞所處微環(huán)境(microenvironmrnt)的影響,就干細胞移植修復腦損傷而言,干細胞腦內(nèi)移植后定植的微環(huán)境主要包括腦內(nèi)細胞外基質(zhì)(extracellular matrix,ECM)及腦內(nèi)細胞間相互作用(cell-cell interaction)。微環(huán)境細胞外基質(zhì)成分中的各種可溶性因子(soluble factors)、蛋白等復雜成分作用于干細胞維持并調(diào)控著干細胞存活、誘導、分化、分泌、免疫調(diào)節(jié)等,使干細胞發(fā)揮相關修復功能;同時,干細胞與宿主的顱內(nèi)細胞(如神經(jīng)元等)之間發(fā)生復雜的相互作用、相互影響,在一定程度上以細胞間結構為基礎參與受損腦組織修復。 近年研究表明,腦內(nèi)微環(huán)境細胞外基質(zhì)成分在干細胞發(fā)生發(fā)育、誘導分化過程中發(fā)揮有重要作用。其中表皮生長因子(Epidermal Growth Factor,EGF)、堿性成纖維生長因子(basic Fibroblast Growth Factor, bFGF)、刺猬因子(Sonic Hedgehog, Shh)等,在保證細胞外基質(zhì)各組分濃度平衡而維持干細胞正常形態(tài)與功能;轉化生長因子β (transforming growth factor-β,TGF-β)、胰島素樣生長因子(insulin-like growth factor, IGF)等則以正負反饋方式,通過信號通路來調(diào)節(jié)神經(jīng)發(fā)育中的分化過程;同時,細胞外基質(zhì)中的膠原蛋白(collagen)、層粘連蛋白(laminins)、纖維連接蛋白(fibronectins)等成分在控制干細胞再生、分化方面也起到一定作用。 移植入腦內(nèi)的干細胞與宿主細胞之間的相互作用是通過干細胞表面表達在脂質(zhì)雙分子層表面的信號分子而實現(xiàn)。初步發(fā)現(xiàn),干細胞本身的極性是干細胞分裂增殖的機制之一;干細胞膜上的受體改變能夠激活下游通路的靶點,從而調(diào)節(jié)細胞功能(如細胞的粘附整合、變形及神經(jīng)突觸的可塑性等)。 在干細胞移植過程中,為了研究間充質(zhì)干細胞與宿主細胞間的相互作用,往往需要對待移植間充質(zhì)干細胞進行細胞標記,以便于很好地鑒別和示蹤發(fā)揮主要作用的神經(jīng)干細胞,并能夠區(qū)別供體細胞與宿主細胞、以精確觀察到干細胞的生存,分化,遷移及與其他細胞組織結構整合的情況。常用的細胞標記物主要包括物理標記物(如:氧化鐵顆粒類、錳離子、包裹熒光染料的硅納米顆粒等)、化學標記物(如:Hoechst, DiI, PKH2/PKH3/PKH26,異硫氰酸熒光素/四甲基若丹明異硫氰酸熒光素,羥基熒光素、放射性核素等)和生物標記物(如:核酸標記物、綠色熒光蛋白、抗體顯像標記物、受體顯像標記物等)。眾多的細胞標記物中,究竟哪一種標記物能夠特異性地標記移植細胞,也是研究過程中易忽略的問題。不恰當標記物的選擇,將對干細胞標記后體外實驗或體內(nèi)移植研究造成干擾,而既往移植實驗過程中的細胞標記未能引起重視,由此,本研究也關注了細胞標記物的選擇和使用。 基于干細胞的多種特性、干細胞在移植后與宿主間微環(huán)境之間復雜的發(fā)育分化整合作用、標記物對干細胞標記的特異性以及干細胞與宿主皮層神經(jīng)元間的相互作用,本研究進行了一系列研究。首先,提取大鼠大腦海馬組織的細胞外基質(zhì)成分模擬大鼠腦內(nèi)微環(huán)境,以細胞外基質(zhì)成分的不同濃度梯度為檢測實驗條件,通過免疫熒光、Western Blot、QT-PCR等技術鑒定脂肪間充質(zhì)干細胞在相應濃度的細胞外基質(zhì)發(fā)育分化,以神經(jīng)球數(shù)量及維持時間為評估指標確定細胞外基質(zhì)對脂肪間充質(zhì)干細胞作用的最適濃度;然后,選擇當今廣泛使用的PKH26染料對脂肪間充質(zhì)干細胞進行標記,又以低滲法裂解PKH26染料標記好的干細胞,模擬干細胞移植后大部分細胞死亡過程,再將PKH26標記后的細胞碎片與細胞共培養(yǎng)構建體外移植模型,并同時通過鼠尾靜脈將裂解的細胞碎片移植入大鼠體內(nèi),以熒光顯微技術追蹤體外實驗、體內(nèi)實驗的細胞或各臟器組織(如肝、脾、腦、腎、外周血等)被PKH26染料影響情況;最后,通過模擬骨髓間充質(zhì)干細胞腦內(nèi)移植模型,體外建立骨髓間充質(zhì)干細胞與皮層神經(jīng)元的共培養(yǎng)體系,在超微結構水平探索皮層神經(jīng)元軸突在骨髓間充質(zhì)干細胞作用下的遷移趨勢,探討骨髓間充質(zhì)干細胞參與突觸可塑性的能力,為完善間充質(zhì)干細胞修復CNS疾病機制提供數(shù)據(jù)參考。 第一章模擬腦內(nèi)微環(huán)境追蹤間充質(zhì)干細胞發(fā)育分化實驗研究 目的:探索間充質(zhì)干細胞于大鼠海馬結構細胞外基質(zhì)成分中的發(fā)育分化情況,及其分化后與腦內(nèi)皮層神經(jīng)元的相互作用。 方法:解剖分離300g的Wistar近交系大鼠大腦海馬組織,置于DMEM/12培養(yǎng)基,低溫(4℃)搖床振蕩2h,高速離心(18000×g)后獲取海馬結構的細胞外基質(zhì)。獲取出生3天的Wistar近交系大鼠的皮下脂肪組織,使用0.3%I型膠原酶消化脂肪組織,獲取ADSCs,并對其形態(tài)學觀察、免疫表型鑒定及染色體檢測;將ADSCs分別置于含海馬組織細胞外基質(zhì)終濃度分別為0(對照組)、50、100、200、400μl/ml的無血清DMEM/F12培養(yǎng)基中培養(yǎng),觀察6天,通過免疫熒光、激光共聚焦技術、Western Blot技術比較各組細胞Nestin. CD133的表達情況;QT-PCT檢測各組細胞Nestin、CD133的基因表達情況,同時比較各組中細胞成球個數(shù),以探索ADSCs發(fā)育、誘導的最適腦內(nèi)微環(huán)境;進一步于最適海馬組織細胞外基質(zhì)終濃度中分化神經(jīng)球,對分化細胞行β-tubullin Ⅲ、 MAP2. GFAP、S100及p75NGFR免疫熒光檢測,并將分化細胞與皮層神經(jīng)元建立共培養(yǎng)體系,通過檢測原代皮層神經(jīng)元軸突長度及突起數(shù)量來探索分化細胞對皮層神經(jīng)元的作用。 結果:大鼠ADSCs在含胎牛血清濃度為10%的DMEM/F12中呈貼壁生長,梭形,長出突起;經(jīng)流式細胞儀檢測,其表達CD29、CD90陽性,CD45及同型對照FITC陰性;經(jīng)傳代至第三代ADSCs的染色體檢測未見異常;ADSCs于細胞外基質(zhì)終濃度為50、100、200、400μl/ml的無血清DMEM/F12中培養(yǎng)第二天出現(xiàn)細胞球,對照組(0μl/ml)中無細胞球形成(與200μl/ml組比較,P,=0.000),余各實驗組細胞球數(shù)量無差別(P2=0.626, P3=0.143, P4=0.979,均0.05),200μl/m實驗組與對照組比較具有顯著差異(P1=0.0000.05);至第6天,在200μl/ml組中的細胞球數(shù)量明顯多于0、50、100、400μl/ml組(P1’=P2’=P3’=P4’=0.000)。在免疫熒光及激光共聚焦檢測中,200μl/ml組中細胞球表達Nestin、CD133陽性,Western Blot檢測其中Nestin、CD133蛋白明顯高于對照組,QT-PCR檢測Nestin、 CD133的基因分別是對照組中的148(F=10.746,P=0.0310.05)、220倍(F=172.500,P=0.0000.05)。進一步分化的細胞球變成貼壁生長單細胞狀態(tài)、呈長梭形,并伸出突起,免疫熒光檢測分化的細胞表達GFAP、S100、p75NGFR陽性,但不表達β-tubullin Ⅲ、 MAP2蛋白;與分化細胞共培養(yǎng)的皮層神經(jīng)元軸突長度(123.62±11.991μm)明顯比單純皮層神經(jīng)元軸突(73.00±7.41μm)長(P=0.0000.05)。 結論:大鼠ADSCs在終濃度為200μ1/ml的海馬細胞外基質(zhì)中可發(fā)育誘導為表達Nestin、CD133陽性的神經(jīng)干細胞;神經(jīng)干細胞在同樣濃度下的細胞外基質(zhì)中,可進一步分化為表達GFAP、S100、p75NGFR陽性的膠質(zhì)樣細胞;膠質(zhì)樣細胞可促進皮層神經(jīng)元軸突生長。第二章細胞標記物PKH26非特異性實驗研究 目的:探索細胞標記物PKH26標記間充質(zhì)干細胞的非特異性,為避免不恰當選用標記物帶來實驗干擾提供依據(jù)。 方法:獲取出生3天的Wistar近交系大鼠皮下脂肪組織,使用0.3%I型膠原酶消化脂肪組織,獲取ADSCs,并對其形態(tài)學觀察,使用細胞標記物PKH26標記ADSCs,經(jīng)CCK-8、Alamar Blue檢測PKH26對ADSCs增殖及毒性的影響;利用無菌低滲蒸餾水裂解PKH26標記的ADSCs(未標記的ADSCs為對照組),收集并證實為已裂解的細胞碎片,作為模擬間充質(zhì)干細胞移植過程中正常死亡的細胞,通過將細胞碎片與間充質(zhì)干細胞共培養(yǎng)、以及將細胞碎片通過鼠尾靜脈注射入Wistar近交系大鼠(n=5)體內(nèi)觀察7天,利用熒光顯微鏡技術檢測體外共培養(yǎng)的ADSCs及動物體內(nèi)肝臟、脾臟、腎臟、腦的冰凍切片以及外周血涂片發(fā)射紅色熒光情況。 結果:大鼠ADSCs在培養(yǎng)環(huán)境中呈貼壁生長,梭形,長出突起;剛接種的PKH26標記的ADSCs在熒光顯微鏡下呈紅色球形懸浮于培養(yǎng)環(huán)境中。CCK8、 Alamar Blue實驗證實,PKH26對ADSCs的細胞增殖(P=0.3440.05)及毒性(P=0.3520.05)沒有影響。無菌低滲蒸餾水裂解PKH26標記的ADSCs呈不規(guī)則紅色絮狀,未見紅色球形細胞。PKH26標記的ADSCs碎片與未標記的ADSCs共培養(yǎng)后,在熒光顯微鏡下檢測到未標記的ADSCs發(fā)射紅光;PKH26標記的ADSCs碎片注入大鼠體內(nèi),收集的肝臟、脾臟、腎臟、腦的冰凍切片及外周血涂片亦有紅光發(fā)射,對照組均未檢測到紅色熒光。 結論:PKH26標記的ADSCs在體外、體內(nèi)移植模型中,可非特異性轉移到其他體外細胞或者體內(nèi)宿主細胞。 第三章間充質(zhì)干細胞與皮層神經(jīng)元共培養(yǎng)體系中軸突定向遷移、生長及二者間結構整合實驗研究 目的:建立間充質(zhì)干細胞移植的體外模型,追蹤移植細胞與宿主皮層神經(jīng)元之間的結構整合,探索間充質(zhì)干細胞對宿主神經(jīng)元的定向遷移能力。 方法:獲取Wistar近交系大鼠骨髓,通過采用全骨髓培養(yǎng)法并利用差速貼壁法純化獲取BMSCs在含10%胎牛血清的DMEM/F12中貼壁生長。對其細胞形態(tài)、免疫表型鑒定。分離出生3天內(nèi)的Wistar近交系乳鼠腦組織皮層,1.5%木瓜蛋白酶消化20min,獲取皮層神經(jīng)元,通過免疫熒光技術鑒定其β-tubullin Ⅲ、MAP2蛋白的陽性表達情況。模擬BMSCs顱內(nèi)移植模型,將第二代BMSCs接種到培養(yǎng)2天的皮層神經(jīng)元中建立體外共培養(yǎng)體系(等量細胞數(shù)量的單純BMSCs與單純皮層神經(jīng)元為對照組)繼續(xù)培養(yǎng)7天,以突觸(或類突觸)結構形成為主要追蹤觀察指標,使用倒置相差顯微鏡、免疫熒光技術、原子力顯微鏡技術、掃描電鏡追蹤兩種細胞間的結構整合,并探索兩種細胞間的相互作用。 結果:貼壁細胞呈梭形,長出突起。流式細胞儀鑒定其CD29、CD90表達陽性,CD34、同型對照均為陰性。皮層神經(jīng)元在含2%B-27的無血清DMEM/F12中貼壁生長,胞體透亮,培養(yǎng)2天,開始長出短突起;至第6天,突起延長,免疫熒光鑒定表達β-tubullin Ⅲ、MAP2蛋白陽性。共培養(yǎng)體系中,形態(tài)學可觀察到皮層神經(jīng)元軸突具有定向朝向BMSCs遷移生長或者沿著BMSCs表面定向生長的趨勢,在原子力顯微鏡及電子顯微鏡下可追蹤到皮層神經(jīng)元與BMSCs之間形成突觸樣結構。透射電鏡檢測到共培養(yǎng)體系中的BMSCs與皮層神經(jīng)元的細胞器明顯較單純BMSCs組與單純皮層神經(jīng)元組發(fā)達;且掃描電鏡掃描證實共培養(yǎng)體系中BMSCs表面突起數(shù)量遠遠比單純BMSCs組中的突起多。且通過計算可證實共培養(yǎng)體系中皮層神經(jīng)元軸突長度(150.75±48.78μm)明顯長于單純皮層神經(jīng)元中軸突長度(70.04±20.82μm,P=0.0000.05),但共培養(yǎng)體系中突起個數(shù)(2.38±0.58)與單純皮層神經(jīng)元突起個數(shù)(2.52±0.56)比較無明顯差別(P=0.1660.05)。 結論:BMSCs與皮層神經(jīng)元建立體外移植模型共培養(yǎng)體系后,神經(jīng)元軸突朝BMSCs定向遷移或者沿著BMSCs表面生長;BMSCs與皮層神經(jīng)元之間可形成突觸樣結構,共培養(yǎng)體系中兩種細胞呈相互促進互為雙贏生存狀態(tài)。
【學位授予單位】:南方醫(yī)科大學
【學位級別】:博士
【學位授予年份】:2013
【分類號】:R329.2

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6 齊凱;人臍帶來源間充質(zhì)干細胞分離培養(yǎng)方法的優(yōu)化初探[D];山西醫(yī)科大學;2011年

7 馬蘭蘭;不同胎齡人臍帶血間充質(zhì)干細胞的研究[D];中國醫(yī)科大學;2010年

8 李成華;口腔黏膜間充質(zhì)干細胞存在及在口腔扁平苔蘚中變化的初步研究[D];第四軍醫(yī)大學;2010年

9 田毅;人臍帶Wharton's jelly間充質(zhì)干細胞的生物學特性以及其與腦腫瘤干細胞共培養(yǎng)的實驗研究[D];鄭州大學;2010年

10 張福麗;間充質(zhì)干細胞治療肺動脈高壓研究進展(附肺動脈高壓發(fā)病機制進展)[D];山西醫(yī)科大學;2011年

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