肖 雄,鄧玉金,趙海龍,吳有博,李躍民
(西南大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院,重慶400715)
耳皮膚成纖維細(xì)胞因具有取材方便、易獲取、體外增殖能力強(qiáng)、細(xì)胞形態(tài)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、較易進(jìn)行傳代培養(yǎng)和不易發(fā)生轉(zhuǎn)化等特點(diǎn),在體細(xì)胞核移植、轉(zhuǎn)基因技術(shù)、治療性克隆和誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞等研究領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。但是,體外培養(yǎng)的細(xì)胞,隨著傳代次數(shù)的增加,細(xì)胞各種生物學(xué)特征會(huì)逐漸發(fā)生變化,同時(shí),長(zhǎng)期傳代也會(huì)造成資源浪費(fèi)。因此,在細(xì)胞傳代過(guò)程中,需要適時(shí)進(jìn)行細(xì)胞冷凍保存,以保證體外培養(yǎng)細(xì)胞的質(zhì)量,又便于取用。液氮(-196℃)冷凍保存細(xì)胞,理論上是無(wú)限久的,但由于目前技術(shù)局限,凍存時(shí)間越長(zhǎng),細(xì)胞復(fù)蘇后存活率越低。因此,細(xì)胞在不同凍存溫度、不同凍存方法和不同冷凍保護(hù)劑下凍存效率存在差異。本試驗(yàn)以DMEM為基礎(chǔ)培養(yǎng)液,以二甲基亞砜(dimethyl sulfoxide,DMSO)或甘油(glycerol,GL)作為冷凍保護(hù)劑,并添加胎牛血清(fetal bovine serum,F(xiàn)BS)組成冷凍保護(hù)液,分別采用4種冷凍降溫方法,對(duì)體外培養(yǎng)的第3代小鼠耳皮膚成纖維細(xì)胞進(jìn)行冷凍保存。通過(guò)比較不同處理組復(fù)蘇后細(xì)胞的存活率和培養(yǎng)48 h后的細(xì)胞貼壁率,探討不同冷凍保存方法和冷凍保護(hù)劑對(duì)小鼠耳皮膚成纖維細(xì)胞解凍復(fù)蘇后細(xì)胞存活率和貼壁率的影響,并對(duì)適宜冷凍方法所得小鼠耳皮膚成纖維細(xì)胞的生長(zhǎng)曲線進(jìn)行研究,旨在篩選適宜的小鼠耳皮膚成纖維細(xì)胞的冷凍保存體系,為小鼠耳皮膚成纖維細(xì)胞用于體細(xì)胞核移植和重編程為多能干細(xì)胞等研究奠定基礎(chǔ)。
1.1.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物 昆明系小鼠,8周齡~10周齡雌鼠,體重23 g~28 g,購(gòu)于重慶市中藥研究所動(dòng)物研究中心。
1.1.2 主要試劑與儀器 DMEM粉末,Gibco公司產(chǎn)品;DMSO,GL,胰蛋白酶,乙二胺四乙酸(ethylenediaminetetraacetic acid,EDTA)Sigma公司、杭州四季青生物工程材料有限公司產(chǎn)品。
CO2培養(yǎng)箱(3111)Thermo Forma公司產(chǎn)品;倒置顯微鏡(T-DH)Nikon Japan公司產(chǎn)品;超低溫冰箱(720)Thermo Electron Corporation公司產(chǎn)品;液氮罐(YDS-30B)成都液氮容器廠生產(chǎn)。
1.2.1 小鼠耳皮膚組織的獲取 頸椎脫臼法處死小鼠,手術(shù)刀片剔除耳毛,經(jīng)酒精消毒,用無(wú)菌眼科剪剪取耳朵,稱重后,置于加有750 mL/L酒精的玻璃培養(yǎng)皿中浸泡、清洗30 s~40 s后取出,在含有青、鏈霉素的無(wú)Ca2+、Mg2+的磷酸鹽緩沖液(phosphate buffered saline,PBS)中清洗3遍后,將耳皮膚組織移入35 mm的玻璃培養(yǎng)皿中備用。
1.2.2 小鼠耳皮膚成纖維細(xì)胞的原代培養(yǎng) 將耳皮膚組織塊剪碎,用無(wú)Ca2+、Mg2+的PBS清洗,棄去上層懸浮組織,加入5 mL 2.5 g/L胰蛋白酶-EDTA,置于37℃的培養(yǎng)箱中消化30 min后取出,加5 mL含血清DMEM培養(yǎng)液終止消化,移液槍反復(fù)吹打,經(jīng)200目不銹鋼細(xì)胞篩過(guò)濾,取濾液于10 mL離心管中,以1 000 r/min離心10 min,棄上清液,再加無(wú)Ca2+、Mg2+的 PBS清洗、搖勻,重復(fù)離心(1 000 r/min,10 min),棄上清液。調(diào)整細(xì)胞密度至1×105個(gè)/mL,接種于無(wú)菌的12.5 cm2培養(yǎng)瓶中,體積分?jǐn)?shù)為5% 的CO2培養(yǎng)箱中,37℃并且飽和濕度條件下進(jìn)行原代培養(yǎng)。
1.2.3 小鼠耳皮膚成纖維細(xì)胞的傳代培養(yǎng) 當(dāng)小鼠耳皮膚成纖維細(xì)胞貼壁生長(zhǎng)鋪滿瓶底,達(dá)到80%~90%時(shí),采用1.25 g/L胰蛋白酶-EDTA消化,傳代培養(yǎng)。
1.2.4 小鼠耳皮膚成纖維細(xì)胞的凍存 當(dāng)培養(yǎng)的第3代小鼠耳皮膚成纖維細(xì)胞貼壁生長(zhǎng)鋪滿瓶底,達(dá)到80%以上時(shí),棄去培養(yǎng)液,無(wú) Ca2+、Mg2+的PBS清洗兩遍,加入1.25g/L胰蛋白酶-EDTA消化至大部分細(xì)胞變圓后,采用含血清的DMEM培養(yǎng)液終止消化,將細(xì)胞吹散后經(jīng)1000 r/min離心10 min,棄去上清液,收集細(xì)胞,加入DMEM培養(yǎng)液,重復(fù)離心,將冷凍保護(hù)液重新懸浮細(xì)胞加入2 mL細(xì)胞凍存管中并標(biāo)記試驗(yàn)編號(hào)和日期等。
以100 mL/L FBS + 100 mL/L DMSO +DMEM 或 100 mL/L FBS + 100 mL/L GL +DMEM作為冷凍保護(hù)液,分別采用4種冷凍方法對(duì)體外培養(yǎng)第3代小鼠耳皮膚成纖維細(xì)胞進(jìn)行冷凍保存(表1)。
表1 小鼠耳皮膚成纖維細(xì)胞的冷凍方法設(shè)計(jì)Table1 Cryopreservation methods of mouse ear skin fibroblasts
1.2.5 細(xì)胞的復(fù)蘇 細(xì)胞經(jīng)液氮凍存1個(gè)月后,從液氮罐中取出凍存管,檢查是否有蓋子松動(dòng)(若蓋子松動(dòng)則棄去此樣品),迅速投入37℃恒溫水浴鍋中,并不斷搖動(dòng)凍存管使其迅速解凍。待完全溶化后取出凍存管,用750 mL/L酒精消毒。以完全培養(yǎng)液稀釋,將溶液轉(zhuǎn)至10 mL離心管內(nèi),以1 000 r/min離心10 min,棄去上清液(冷凍保護(hù)液)以減少冷凍保護(hù)劑對(duì)細(xì)胞的毒性作用。
1.2.6 細(xì)胞計(jì)數(shù)和細(xì)胞存活率的統(tǒng)計(jì) 將小鼠耳皮膚成纖維細(xì)胞懸液與4 g/L臺(tái)盼藍(lán)染液按4∶1的比例混勻,靜置2 min,采用血球計(jì)數(shù)板統(tǒng)計(jì)細(xì)胞密度和細(xì)胞存活率,其中死細(xì)胞被染成藍(lán)色,而活細(xì)胞不著色。
細(xì)胞密度(細(xì)胞數(shù)/mL)=(四大格的細(xì)胞數(shù)/4)×10 000×稀釋倍數(shù)
細(xì)胞存活率(%)=[(細(xì)胞總數(shù)-死細(xì)胞數(shù))/細(xì)胞總數(shù)]×100%
1.2.7 細(xì)胞貼壁率的統(tǒng)計(jì) 將解凍復(fù)蘇后的小鼠耳皮膚成纖維懸液進(jìn)行細(xì)胞計(jì)數(shù),計(jì)為細(xì)胞濃度1,然后將細(xì)胞接種到12.5 m2培養(yǎng)瓶中培養(yǎng),48 h后吸棄培養(yǎng)液,無(wú)Ca2+、Mg2+的PBS清洗2遍~3遍后,采用1.25 g/L胰蛋白酶-EDTA消化已貼壁細(xì)胞,統(tǒng)計(jì)細(xì)胞密度計(jì)為細(xì)胞濃度2。
細(xì)胞貼壁率(%)=(細(xì)胞濃度2/細(xì)胞濃度1)×100%。
細(xì)胞貼壁率=(48 h后貼壁細(xì)胞濃度/接種細(xì)胞濃度)×100%
1.2.8 小鼠耳皮膚成纖維細(xì)胞的生長(zhǎng)曲線繪制采用篩選所得適宜冷凍方法和冷凍保護(hù)劑進(jìn)行小鼠耳皮膚成纖維細(xì)胞的冷凍保存。調(diào)整解凍復(fù)蘇后的第3代小鼠耳皮膚成纖維細(xì)胞接種濃度為5×104個(gè)/mL,接種于24孔培養(yǎng)板中,每孔滴加0.4 mL,即每孔的最初細(xì)胞總數(shù)約為2×104個(gè),每2 d換液1次。從接種時(shí)間算起,每隔24 h用1.25 g/L胰蛋白酶-EDTA消化3孔細(xì)胞,用血球計(jì)數(shù)板分別進(jìn)行計(jì)數(shù),求其平均值,連續(xù)進(jìn)行7 d。以培養(yǎng)時(shí)間為橫坐標(biāo)、細(xì)胞總數(shù)為縱坐標(biāo)繪制生長(zhǎng)曲線。
1.2.9 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 試驗(yàn)數(shù)據(jù)以“平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差”表示,采用SPSS 13.0軟件對(duì)小鼠耳皮膚成纖維細(xì)胞的存活率和貼壁率進(jìn)行單因素方差分析(One-Way-ANOVA)。
不同冷凍保存方法和冷凍保護(hù)劑對(duì)小鼠耳皮膚成纖維細(xì)胞解凍復(fù)蘇后細(xì)胞存活情況的影響見(jiàn)表2。由表2可知,以100 mL/L DMSO作為冷凍保護(hù)劑進(jìn)行小鼠耳皮膚成纖維細(xì)胞的冷凍保存時(shí),方法3處理組的解凍復(fù)蘇后細(xì)胞存活率高于方法2(P>0.05),極顯著高于方法1(P<0.01)和方法4處理組(P<0.01)。以100 mL/L GL作為冷凍保護(hù)劑進(jìn)行小鼠耳皮膚成纖維細(xì)胞的冷凍保存時(shí),方法3的解凍復(fù)蘇后細(xì)胞存活率高于方法2(P>0.05),并分別極顯著高于方法1(P<0.01)和方法4處理組(P<0.01)。在相同方法的情況下,100 mL/L DMSO作為冷凍保護(hù)劑處理組的解凍復(fù)蘇后的細(xì)胞存活率均分別高于100 mL/L GL處理組,并且在方法2中表現(xiàn)出極顯著的差異(P<0.01)。因此,宜選用100 mL/L DMSO作為冷凍保護(hù)劑,采用方法3進(jìn)行冷凍保存可以獲得較高的小鼠耳皮膚成纖維細(xì)胞解凍復(fù)蘇后的細(xì)胞存活率。
表2 不同冷凍保存方法和冷凍保護(hù)劑對(duì)小鼠耳皮膚成纖維細(xì)胞冷凍-解凍后細(xì)胞存活率(%)的影響Table2 Effect of different cryopreservation methods and cryoprotectants on survival rate(%)of mouse ear skin fibroblasts after being thawed
不同冷凍保存方法和冷凍保護(hù)劑對(duì)小鼠耳皮膚成纖維細(xì)胞冷凍-解凍后培養(yǎng)48 h細(xì)胞貼壁情況的影響見(jiàn)表3。
由表3可知,以100 mL/L DMSO作為冷凍保護(hù)劑進(jìn)行小鼠耳皮膚成纖維細(xì)胞的冷凍保存時(shí),方法3處理組的解凍復(fù)蘇后培養(yǎng)48 h細(xì)胞貼壁率與方法2無(wú)顯著性差異(P>0.05),但極顯著高于方法1和方法4處理組(P<0.01)。以100 mL/L GL作為冷凍保護(hù)劑時(shí),方法3處理組的解凍復(fù)蘇后培養(yǎng)48 h細(xì)胞貼壁率極顯著地高于其他各處理組(P<0.01)。就同一種冷凍方法而言,100 mL/L DMSO作為冷凍劑處理組的解凍復(fù)蘇后培養(yǎng)48 h細(xì)胞貼壁率均高于100 mL/L GL處理組,且在方法2中表現(xiàn)出極顯著差異(P<0.01),在方法3中表現(xiàn)出顯著性差異(P<0.05)。因此,宜選用100 mL/L DMSO作為冷凍保護(hù)劑,采用方法3進(jìn)行冷凍保存可以獲得較高的小鼠耳皮膚成纖維細(xì)胞解凍復(fù)蘇后培養(yǎng)48 h細(xì)胞貼壁率。
表3 不同冷凍保存方法和冷凍保護(hù)劑對(duì)小鼠耳皮膚成纖維細(xì)胞解凍復(fù)蘇后培養(yǎng)48 h細(xì)胞貼壁率(%)的影響Table3 Effect of different cryopreservation methods and cryoprotectants on adhesive rate(%)of mouse ear skin fibroblasts after being thawed and cultured for 48 h
小鼠耳皮膚成纖維細(xì)胞的生長(zhǎng)曲線見(jiàn)圖1。圖1表明,培養(yǎng)1 d~2 d為小鼠耳皮膚成纖維細(xì)胞培養(yǎng)的潛伏期,3 d~4 d為對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期,第5 d后細(xì)胞數(shù)量開(kāi)始減少,為平臺(tái)期和衰退期。冷凍解凍后的細(xì)胞呈現(xiàn)正常的分裂增殖生長(zhǎng)模式,這表明以100 mL/L DMSO作為冷凍劑,采用方法3進(jìn)行冷凍保存對(duì)小鼠耳皮膚成纖維細(xì)胞后續(xù)生長(zhǎng)影響較小。
圖1 小鼠耳皮膚成纖維細(xì)胞的生長(zhǎng)曲線Fig.1 The growth curve of the mouse ear skin fibroblasts
冷凍保護(hù)劑是指通過(guò)稀釋溶液中的溶質(zhì)濃度,減少冷凍和解凍過(guò)程中對(duì)細(xì)胞造成的損傷(如細(xì)胞內(nèi)結(jié)冰、脫水、溶質(zhì)濃度提高和蛋白質(zhì)變性及骨架結(jié)構(gòu)的損傷等)的某一類化合物[1]。50多年前,英國(guó)的一個(gè)研究小組在一次試驗(yàn)中偶然發(fā)現(xiàn)了對(duì)精子和人紅細(xì)胞的有效冷凍保護(hù)劑之后[2],相繼出現(xiàn)了二甲基亞砜(DMSO)、乙二醇(ethylene glycol,EG)和甘油(GL)等其他冷凍保護(hù)劑,其最重要的特點(diǎn)是能夠穩(wěn)定滲入細(xì)胞,且在濃度為1 mol/L左右時(shí)對(duì)細(xì)胞相對(duì)無(wú)毒,其保護(hù)功能的基本機(jī)制是在降溫過(guò)程中透過(guò)細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi),使得細(xì)胞皺縮程度降低[3]。另外,葡聚糖、聚乙烯吡咯烷酮、羥乙基淀粉、聚乙二醇以及蔗糖等非滲透性冷凍保護(hù)劑的功能在于加快溶液的玻璃化,穩(wěn)定蛋白質(zhì)和細(xì)胞膜,以及防止進(jìn)一步的結(jié)冰[4]。
目前多采用DMSO、GL或EG等作為細(xì)胞凍存的冷凍保護(hù)劑。這幾種物質(zhì)分子量小,溶解度大,易穿透細(xì)胞膜,降低冰點(diǎn)以減少冷凍保護(hù)劑對(duì)細(xì)胞的毒性作用。王紅梅等[5]采用DMSO作為冷凍保護(hù)劑的效果好于EG,使用DMSO細(xì)胞存活率達(dá)到70%~90%,而EG只有30%~50%。任芳麗等[6]研究表明200 mL/L DMSO保護(hù)液對(duì)牛皮膚成纖維細(xì)胞的凍存保護(hù)效果好于其它濃度的DMSO、EG及GL,復(fù)蘇后平均貼壁率達(dá)到87.9%。趙雪萍等[7]比較了DMSO、GL和EG 3種冷凍保護(hù)劑對(duì)麋鹿耳皮膚成纖維細(xì)胞的冷凍保存效果,結(jié)果表明添加100 mL/L DMSO的凍存液效果最佳,解凍后細(xì)胞貼壁率達(dá)87.78%。王亮等[8]采用200 mL/L FBS+100 mL/L DMSO+70%細(xì)胞懸液對(duì)奶牛耳皮膚成纖維細(xì)胞進(jìn)行凍存,復(fù)蘇后細(xì)胞存活率達(dá)到86.68%,培養(yǎng)48 h貼壁率為86.40%。周向梅等[9]以100 mL/L DMSO+900 mL/L FBS為冷凍保護(hù)液冷凍保存第3代矮馬耳緣組織成纖維細(xì)胞,復(fù)蘇后存活率達(dá)92.2%。本試驗(yàn)以100 mL/L FBS+100 mL/L DMSO+ DMEM 作為冷凍保護(hù)液,得到最高的細(xì)胞存活率為84.88%,培養(yǎng)48h后的細(xì)胞貼壁率為 81.00%;以 100 mL/L FBS+100 mL/L GL+DMEM作為冷凍保護(hù)液,得到最高的細(xì)胞存活率為71.65%,培養(yǎng)48 h后的細(xì)胞貼壁率為67.03%。較 100 mL/L GL 相 比,100 mL/L DMSO作為冷凍保護(hù)劑效果更佳。但是,由于DMSO、GL和EG是一種有毒的化學(xué)物質(zhì),高濃度下作為凍存保護(hù)劑也會(huì)對(duì)細(xì)胞造成損傷,將DMSO提前4℃預(yù)冷,有利于降低其對(duì)細(xì)胞的毒性損害[8]。近年來(lái),一些學(xué)者研發(fā)出了新型冷凍保護(hù)劑,如抗凍蛋白、乙酞胺、海藻糖、植物類抗凍因子等,這些凍存保護(hù)劑在低濃度時(shí)對(duì)細(xì)胞有較好的保護(hù)效果。
細(xì)胞冷凍效果受冷凍速率的影響。常規(guī)冷凍法下,若冷凍速率過(guò)快,則易形成胞內(nèi)冰晶,這些細(xì)胞內(nèi)冰晶在溫度回升過(guò)程中會(huì)發(fā)生再結(jié)晶而導(dǎo)致細(xì)胞受損;如果降溫速率過(guò)慢,則細(xì)胞收縮過(guò)劇烈,并且細(xì)胞處在高濃度溶液中也會(huì)引起損傷。本試驗(yàn)中,采用方法3的效果好于其他幾種方法,這可能與小鼠耳皮膚成纖維細(xì)胞懸掛在液氮罐內(nèi)的氣態(tài)氮中4 h,使細(xì)胞內(nèi)水分充分外滲又不完全脫干,從而減少冰晶形成,降低對(duì)細(xì)胞的損傷有關(guān)。氣態(tài)氮處理的方法在其他動(dòng)物細(xì)胞冷凍上也有使用,如陸會(huì)寧等[10]將凍存管在4℃冰箱中放置30 min~1 h后,在液氮面過(guò)夜,次日放入液氮罐中保存,解凍后貴德黑裘皮羊耳成纖維細(xì)胞存活力為93.16%,24 h后的貼壁率為85%;趙雪萍等[7]將凍存管在4℃放置30 min,移入-20℃放置1.5 h,再在液氮面上方懸吊7 h~8 h后投入液氮,解凍后麋鹿耳皮膚成纖維細(xì)胞貼壁率達(dá)87.78%。本試驗(yàn)中,方法1和方法2雖經(jīng)過(guò)預(yù)冷平衡,控制了降溫速率,但可能其速率仍會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)冰晶形成,從而使細(xì)胞復(fù)蘇后存活率和貼壁率低于方法3。陳華等[11]比較了3種冷凍方法對(duì)波爾山羊成纖維細(xì)胞凍存效果的影響,結(jié)果表明方法3(4℃平衡1 h、-80℃過(guò)夜,然后投入液氮)冷凍細(xì)胞解凍后得細(xì)胞貼壁率為61.6%,明顯優(yōu)于方法1(4℃平衡1 h,-20℃冷凍6 h,直接投入液氮)和方法2(4℃平衡1 h,-20℃冷凍6 h,-80℃過(guò)夜,直接投入液氮),并認(rèn)為-20℃不利于細(xì)胞保存,推測(cè)可能是由于-20℃左右是細(xì)胞冷藏的危險(xiǎn)區(qū)域,且易發(fā)生低溫?fù)p傷,建議細(xì)胞在此階段不宜停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。許丹娜等[12]采用將凍存管在4℃下平衡30 min后置于-80℃超低溫冰箱過(guò)夜,第2天投入液氮的方法對(duì)食蟹猴成纖維細(xì)胞進(jìn)行凍存,解凍后第7代細(xì)胞的存活率達(dá)95.15%。關(guān)偉軍等[13]將凍存管放入裝有異丙醇的冷凍盒中,于-70℃冰箱中過(guò)夜,第2天放入液氮罐中保存,小尾寒羊耳組織成纖維細(xì)胞復(fù)蘇后的存活率達(dá)94.7%。馬月輝等[14]采用同樣的方法冷凍保存矮馬耳緣組織成纖維細(xì)胞,復(fù)蘇后存活率達(dá)92.2%。但是,李忠秋等[15]采用4℃平衡40 min,在-20℃冷凍2 h,在-70℃過(guò)夜,次日投入液氮保存種公牛耳組織成纖維細(xì)胞,細(xì)胞復(fù)蘇后的存活率也高達(dá)93.7%。因此,-20℃冷凍處理對(duì)細(xì)胞是否具有很大的損傷作用還有待進(jìn)一步的研究。另外,本試驗(yàn)中,采用方法4得到的細(xì)胞存活率、貼壁率顯著偏低,可能原因是降溫速率過(guò)快,形成胞內(nèi)冰晶,這些細(xì)胞內(nèi)冰晶在溫度回升過(guò)程中會(huì)發(fā)生再結(jié)晶而導(dǎo)致細(xì)胞受損。
因此,宜采用100 mL/L DMSO冷凍保護(hù)劑,經(jīng)4℃預(yù)冷平衡0.5 h,接著懸掛在液氮罐內(nèi)的氣態(tài)氮中4 h,然后沉入液氮的方法凍存小鼠耳皮膚成纖維細(xì)胞。
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