不同體外誘導(dǎo)時間對BMSCs成軟骨分化的組織學(xué)特性影響的研究

周栩 周廣東 張路 劉豫 朱吉 曹誼林

隨著定向誘導(dǎo)分化技術(shù)的逐步成熟，骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（BMSCs）逐漸成為組織工程種子細(xì)胞的最佳來源之一，目前已經(jīng)被大量用于促進軟骨缺損修復(fù)的實驗研究，良好而有效的誘導(dǎo)方法是將BMSCs成功用于軟骨修復(fù)的關(guān)鍵[1]。地塞米松與TGF-β1、IGF-I聯(lián)合應(yīng)用，可有效地促進BMSCs表達軟骨的特征性細(xì)胞外基質(zhì)[2-4]。雖然以BMSCs為種子細(xì)胞在體外已經(jīng)可以成功構(gòu)建出組織學(xué)結(jié)構(gòu)、生物化學(xué)組成與正常軟骨類似的組織工程化軟骨，但是體外不同誘導(dǎo)時間所構(gòu)建的軟骨的組織學(xué)特性，及相互之間的關(guān)系，仍缺乏深入研究。明確經(jīng)不同時間誘導(dǎo)的軟骨樣組織的組織學(xué)特性，對于把握組織工程組織回植體內(nèi)的最佳時機至關(guān)重要。本實驗以豬的BMSCs為種子細(xì)胞，在體外分別進行成軟骨誘導(dǎo)1周和4周，并以未經(jīng)誘導(dǎo)的BMSCs和軟骨細(xì)胞為對照，分析和比較不同體外誘導(dǎo)時間對BMSCs體外成軟骨分化的影響。

1 材料與方法

1.1 材料

長楓雜交豬（n=10），1～2 月齡，6～8 Kg，雌雄不限；DMEM 培養(yǎng)液（Gibco 公司）；10%胎牛血清（Hyclone公司）；0.25%胰蛋白酶 （Sigma公司）；TGF-β1（Intergen 公司，每支 5 μg）；IGF（Intergen 公司，每支50 μg）；地塞米松（Sigma 公司，2 mg/mL）；鼠抗人Ⅱ型膠原單克隆抗體（Dako公司）；辣根過氧化物酶標(biāo)記的羊抗鼠二抗（Dako公司）；阿利新藍(lán)8-GX（Sigma公司）；硫酸軟骨素標(biāo)準(zhǔn)品（Sigma公司）；100 mm培養(yǎng)皿，0.22 μm針孔過濾器，50 mL離心管（Falcon公司）；編織聚羥基乙酸，聚乳酸，三氯甲烷（Sigma公司）； 倒置相差顯微鏡 （Nikon公司，Eclipse TS100）；精密電子天平 （Mettler Toledo公司）；DU-640紫外分光光度計（Beckman Coulter公司）；激光共聚焦顯微鏡（Leica公司，SP5）。

1.2 實驗方法

1.2.1 豬骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的分離、培養(yǎng)和擴增

實驗動物兩側(cè)股骨共抽取骨髓15～20 mL，分別置于兩支50 mL肝素化的無菌離心管中，加入無血清低糖DMEM培養(yǎng)液40 mL，混勻制成細(xì)胞懸液，1 500 r/min離心10 min，吸除脂肪及大部分上清液，重新振蕩混勻，以上述方法反復(fù)洗滌2次。離心后棄上清，加入10 mL含10%血清的低糖DMEM培養(yǎng)液，混勻制成細(xì)胞懸液；按6×105cells/cm2細(xì)胞密度接種于培養(yǎng)皿內(nèi)。置于37℃、5%CO2、100%飽和濕度的培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng)5～6 d，進行首次換液，3～4 d后細(xì)胞達到接近融合狀態(tài)時傳代培養(yǎng)。

1.2.2 PGA支架材料的制備

非編織聚羥基乙酸/聚乳酸（PGA/PLA）60 mg，放入注射器模具中，加入少許95%乙醇，制成直徑12 mm，厚度3 mm的圓柱體。滴加0.15%的PLA-二氯甲烷溶液0.3 mL，充分晾干后放入培養(yǎng)皿中，75%乙醇浸泡1 h，紫外線照射30 min消毒，重新置入培養(yǎng)皿中，75%乙醇浸泡3次，最后1次浸泡過夜。次日用PBS洗滌2～3次后，加入含10%血清的DMEM培養(yǎng)液預(yù)培養(yǎng)過夜，次日吸干DMEM培養(yǎng)液后準(zhǔn)備接種細(xì)胞。

1.2.3 細(xì)胞-材料復(fù)合物的制備

將第 2代 BMSCs按 5×107cells/cm3接種到材料上，每塊材料接種1.2 mL細(xì)胞懸液，使之均勻分布于支架材料上，轉(zhuǎn)移至培養(yǎng)皿中，置于37℃、5%CO2、100%飽和濕度的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)4～5 h后首次加培養(yǎng)液，共制作復(fù)合物10塊，隨機分組。

1.2.4 TGF－β1及 IGF-I的稀釋與保存

將TGF－β1與 IGF-I用生長因子稀釋液 （含有0.1%BSA，4 mM HCl，PBS 為溶劑）稀釋，分裝后使得每個 Eppendorf管內(nèi)含 1 μg 的 TGF-β1 或 5 μg的IGF-I，生長因子分裝后保存于-20℃條件下，誘導(dǎo)液在換液前臨時配制。

1.2.5 實驗分組

以含10%FBS的高糖DMEM培養(yǎng)液＋0.3 g/L L-谷氨酰胺+0.05 g/L抗壞血酸+3.7g/L碳酸氫鈉+10萬U/L青霉素鉀+0.1g/L硫酸鏈霉素為培養(yǎng)液。A組以BMSCs為種子細(xì)胞：A1組用培養(yǎng)液培養(yǎng)1周（n=1）；A2 組培養(yǎng)液培養(yǎng) 4 周 （n=1）；A3 組用培養(yǎng)液＋TGF－β1 10 ng/mL＋IGF-I 50 ng/mL＋地塞米松40 ng/mL， 體外誘導(dǎo)1周 （n=3）；A4組用培養(yǎng)液＋TGF－β1 10 ng/mL＋IGF-I 50 ng/mL＋地塞米松 40 ng/mL，體外誘導(dǎo)4周（n=3）。B組以軟骨細(xì)胞為種子細(xì)胞：B1組用培養(yǎng)液培養(yǎng)1周 （n=1）；B2組用培養(yǎng)液培養(yǎng) 4 周（n=1）。

1.3 相關(guān)檢測方法

1.3.1 細(xì)胞生長情況

倒置顯微鏡下連續(xù)觀察細(xì)胞在培養(yǎng)皿中的黏附和增殖。

1.3.2 細(xì)胞－材料復(fù)合物形態(tài)學(xué)觀察

倒置相差顯微鏡及掃描電鏡下連續(xù)觀察細(xì)胞貼壁、伸展及生長狀況，比較接種后細(xì)胞與材料的黏附情況，以及細(xì)胞外基質(zhì)的分泌狀況。

1.3.3 組織學(xué)和免疫組化檢測

通過HE染色、Safranin O染色和Ⅱ型膠原免疫組化，對各組細(xì)胞－材料復(fù)合物的組織學(xué)特征和GAG含量進行比較。

2 結(jié)果

2.1 細(xì)胞生長情況

BMSC原代細(xì)胞呈集落樣生長，集落中央可呈復(fù)層生長，細(xì)胞為紡錘形、梭形、圓形、三角形、不規(guī)則形等，核仁1～2個。傳代后可形成單層，細(xì)胞體積增大，外形似成纖維細(xì)胞，增殖迅速，有一定的方向性，細(xì)胞接近融合后呈“旋渦”樣生長（圖1）。

圖1 倒置相差顯微鏡觀察BMSCs和軟骨細(xì)胞形態(tài)（40×）Fig.1 Morphology of BMSCs and chondrocytes observed by invert phase contrast microscope （40×）

2.2 細(xì)胞－材料復(fù)合物形態(tài)學(xué)觀察

接種1周時，倒置相差顯微鏡下觀察，BMSCs在PGA/PLA材料上生長良好，迅速增殖并分泌ECM，分泌的ECM連成一體，散布于材料纖維之間，或形成膜狀覆蓋在纖維上；掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞與支架材料緊密黏附，形成大量的ECM。

接種4周時，鏡下看見支架纖維間空隙被逐漸增多的細(xì)胞及ECM所填充，整個支架透光性差（圖2）。 掃描電鏡顯示，A3、A4組較 A1、A2組具有更加豐富的基質(zhì)分泌，并且從1周到4周，細(xì)胞和支架逐漸由致密的膠原纖維和粘多糖構(gòu)成的基質(zhì)所包繞，提示我們體外一定時間的誘導(dǎo)，對于減輕材料回植體內(nèi)后引起的炎性反應(yīng)有所幫助（圖3）。

圖2 倒置相差顯微鏡下觀察細(xì)胞與材料的黏附情況（100×）Fig.2 Adhesion of cells with scaffold observed by invert phase contrast microscope(100×)

圖3 掃描電鏡觀察細(xì)胞與材料黏附性（500×）Fig.3 Adhesion of cells with scaffold observed by scanning electric microscope(500×)

2.3 組織學(xué)檢測

2.3.1 HE染色

A1、A2、A3組均未見軟骨陷窩的形成。A4組和B1、B2組可見散在的不規(guī)則的軟骨陷窩樣結(jié)構(gòu)，并且可以見到散在殘留的未降解PGA纖維縱橫排列在許多陷窩之間。A4、B2組之間組織學(xué)特征較為接近，而B組軟骨陷窩比A組更肥大和明顯，核大位于陷窩中央。與B2比較，A4組軟骨陷窩主要存在于復(fù)合物的周邊部位，中心區(qū)結(jié)構(gòu)較松散（圖4）。

2.3.2 Safranin O染色

A、B兩組細(xì)胞-材料復(fù)合物均產(chǎn)生了富含GAG的ECM。B組復(fù)合物比A組復(fù)合物具有更強烈的GAG表達，在中心區(qū)域尤為明顯，而且組織中GAG的分布明顯不同。B組復(fù)合物中均含有較高水平的GAG，而A組復(fù)合物中GAG的表達主要在組織的外周區(qū)域，而且ECM表現(xiàn)出非均一性，細(xì)胞周圍缺乏高密度的ECM（圖5）。

2.3.3 Ⅱ型膠原免疫組化

各組復(fù)合物中Ⅱ型膠原的聚集和分布與aggrecan相似。A4組復(fù)合物在組織的外周區(qū)域Ⅱ型膠原高度表達，而B組復(fù)合物具有更加均質(zhì)和強烈的表達。體外GAG檢測顯示，B組和A4組均產(chǎn)生了含Ⅱ型膠原和aggrecan的軟骨細(xì)胞樣的ECM。但是，B組復(fù)合物比A組復(fù)合物具有更多的ECM分泌和更加均一的分布（圖6）。

圖4 各組標(biāo)本HE染色（200×）Fig.4 Examination of specimens in all groups by HE staining(200×)

圖5 各組標(biāo)本Safranin O染色（200×）Fig.5 Detection of Safranin O expression by immunohistochemistry staining(200×)

圖6 各組標(biāo)本Ⅱ型膠原免疫組化染色（200×）Fig.6 Detection of ColⅡexpression by immunohistochemistry staining(200×)

2.4 各組細(xì)胞材料復(fù)合物中GAG含量的改變

隨著時間延長，A3、A4組和B組中GAG含量逐漸增多，其中A3組處于最低水平，B2組含量最高（圖7）。A4組中GAG含量高于A3組。方差分析顯示，A3與A4、B1與B2組之間GAG含量差異有顯著性意義（P<0.05）。

圖7 各組標(biāo)本GAG含量Fig.7 GAG content test of the specimens in all groups

3 討論

如何既控制增殖又能在適當(dāng)?shù)臅r候啟動BMSCs向所需方向分化有待進一步的研究。根據(jù)BMSCs構(gòu)建軟骨的不同培養(yǎng)環(huán)境，分為體內(nèi)構(gòu)建和體外構(gòu)建兩種方法。體外軟骨構(gòu)建大致過程是：將體外培養(yǎng)擴增的軟骨細(xì)胞接種在可降解支架材料上，經(jīng)體外長時間培養(yǎng)，生物材料逐漸降解，細(xì)胞不斷分泌軟骨特異性細(xì)胞外基質(zhì)（ECM），最終在體外形成特定形狀的軟骨，再用于修復(fù)體內(nèi)缺損。這種方法構(gòu)建的軟骨形成和成熟過程基本上在體外完成，便于觀察和評價，而且可以分析和調(diào)控相關(guān)影響因素。更為重要的是，體外組織構(gòu)建能很好地控制預(yù)塑的軟骨形態(tài)，是未來組織工程化產(chǎn)品大規(guī)模臨床應(yīng)用的必然要求。體外構(gòu)建的主要缺點是對體外培養(yǎng)環(huán)境和條件要求高。明確體外軟骨構(gòu)建過程中其自身的組織學(xué)特性的變化，無疑有利于完善構(gòu)建手段，并且可以合理地決定構(gòu)建組織的體內(nèi)回植時機。

BMSCs定向分化為軟骨細(xì)胞的必要條件是具備促分化的誘導(dǎo)因子。我們的結(jié)果證實了BMSCs在體外向軟骨誘導(dǎo)1周和4周后，能夠維持初始的大小與形狀，4周的誘導(dǎo)即可以有軟骨組織產(chǎn)生，有明顯的軟骨陷窩結(jié)構(gòu)，軟骨特異性的組織化學(xué)染色呈陽性，免疫組化染色均顯示有Ⅱ型膠原的表達，說明4周的誘導(dǎo)時間即可以有部分細(xì)胞完成了分化的過程。體外誘導(dǎo)1周的BMSCs-材料復(fù)合物未見明顯的軟骨陷窩結(jié)構(gòu)，軟骨特異性的組織化學(xué)染色呈陰性。但是，體外誘導(dǎo)4周的BMSCs-材料復(fù)合物的GAG含量不及同等數(shù)量的單純軟骨細(xì)胞-材料復(fù)合物。兩種細(xì)胞形成的復(fù)合物中，細(xì)胞外基質(zhì)的結(jié)構(gòu)和分布特點也不相同。這些結(jié)果提示，體外誘導(dǎo)時間是對BMSCs向軟骨細(xì)胞分化以及分泌軟骨細(xì)胞樣的細(xì)胞外基質(zhì)有著重要影響的因素之一。

通過體外誘導(dǎo)1周和4周，為細(xì)胞充分黏附于支架上，并且分泌細(xì)胞外基質(zhì)提供了時間。我們發(fā)現(xiàn)，雖然有些細(xì)胞從材料上流失，但大多數(shù)細(xì)胞在材料上黏附良好，分泌基質(zhì)旺盛，細(xì)胞-材料復(fù)合物形態(tài)維持良好。雖然BMSC-PGA/PLA復(fù)合物經(jīng)過體外成軟骨誘導(dǎo)4周后，分泌的軟骨細(xì)胞特異性基質(zhì)要明顯優(yōu)于在體外誘導(dǎo)1周組，但是還差于同等時間下的軟骨細(xì)胞組，說明經(jīng)過體外4周的誘導(dǎo)，BMSCs-PGA/PLA復(fù)合物尚未形成成熟的軟骨組織。這為我們下一步將復(fù)合物回植動物體內(nèi)提供了實驗基礎(chǔ)。

根據(jù)本實驗結(jié)果，BMSCs在體外成軟骨誘導(dǎo)4周后，能夠維持初始的大小與形狀，可以形成軟骨陷窩樣組織結(jié)構(gòu)，與單純軟骨細(xì)胞構(gòu)建的復(fù)合物較為接近，而且GAG含量明顯高于體外誘導(dǎo)1周的細(xì)胞-材料復(fù)合物，達到了單純軟骨細(xì)胞構(gòu)建軟骨組織的60%以上。這些結(jié)果充分說明，體外成軟骨誘導(dǎo)4周更有利于BMSCs向軟骨分化，作為陰性對照的A1、A2組未形成軟骨樣組織，表明單純BMSCs與PGA/PLA支架復(fù)合不能在體外非軟骨環(huán)境中自發(fā)形成軟骨組織。BMSCs-PGA/PLA的細(xì)胞材料復(fù)合物在體外經(jīng)成軟骨誘導(dǎo)4周后形成的細(xì)胞外基質(zhì)，還是沒有同期軟骨細(xì)胞形成的細(xì)胞外基質(zhì)成熟，提示我們尚有其他的生物化學(xué)及機械刺激的因素[6]也對BMSCs體外構(gòu)建組織工程化軟骨起著重要作用。我們相信，當(dāng)闡明了體外組織工程化軟骨在不同誘導(dǎo)時間段的組織學(xué)特性后，隨著研究的深入和方法的進一步優(yōu)化，最終可在體外構(gòu)建出具有優(yōu)良軟骨性能的、能大規(guī)模生產(chǎn)的組織工程化軟骨組織。

[1]Shao X,Goh JC,Hutmacher DW,et al.Repair of large articular osteochondral defects using hybrid scaffolds and bone marrowderived mesenchymal stem cells in a rabbit model[J].Tissue Eng,2006,12(6):1539-1551.

[2]Locklin RM,Oreffo RO,Triffitt JT,et al.Effects of TGF-b and bFGF on the differentiation of human bone marrow stromal fibroblasts[J].Cell Biol Int,1999,23(3):185-194.

[3]Dieudonne SC,Kerr JM,Xu T,et al.Differential display of human marrow stromal cells reveals unique mRNA expression patterns in response to dexamethasone[J].J Cell Biochem,1999,76(2):231-243.

[4]Locklin RM,Williamson MC,Beresford JN,et al.In vitro effects of growth factors and dexamethasone on rat marrow stromal cells[J].Clin Orthop,1995,313:27-35.

[5]Thomson BM,Bennett J,Dean V,et al.Preliminary characterization of porcinebone marrow stromal cells:skeletogenic potential,colonyforming activity,and response to dexamethasone,transforming growth factor beta,and basic fibroblast growth factor[J].J Bone Miner Res,1993,8(10):1173-1183.

[6]Indrawattana N,Chen G,Tadokoro M,et al.Growth factor combination for chondrogenic induction from human mesenchymal stem cell[J].Biochem Biophys Res Commun,2004,320(3):914-919.