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    長期培養(yǎng)的人臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞PCNA、IL-6、IL-11 和galectin-3 的表達(dá)*

    2012-12-23 04:07:46毛文哲李揚(yáng)秋陳少華廖繼東
    中國病理生理雜志 2012年6期
    關(guān)鍵詞:傳代充質(zhì)臍帶

    毛文哲, 許 超, 李揚(yáng)秋, 陳少華, 柳 菁, 劉 俊, 廖繼東△

    (暨南大學(xué)醫(yī)學(xué)院1田家炳醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)中心,2血液病研究所,3生物化學(xué)教研室,廣東 廣州510632)

    間充質(zhì)干細(xì)胞(mesenchymal stem cells,MSCs)是一群中胚層來源的具有自我更新和多向分化潛能的多能成體干細(xì)胞,在細(xì)胞治療、組織修復(fù)、基因治療等方面顯示出巨大的應(yīng)用潛力。人臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞(human umbilical cord mesenchymal stem cells,hUC-MSCs)具有含量豐富、取材方便的特征,其采集過程對母胎均無不良影響,是理想的MSCs 來源[1]。

    hUC-MSCs 較骨髓等其它組織來源MSCs 具有更強(qiáng)的分化增殖能力、更低的免疫原性,在體外連續(xù)培養(yǎng)達(dá)80 個(gè)細(xì)胞倍增時(shí)間可仍保持其多向分化潛能和增殖能力[2-3]。有學(xué)者采用基因芯片掃描不同培養(yǎng)條件下50 d 傳代培養(yǎng)的人骨髓MSCs,顯示其基因表達(dá)譜隨培養(yǎng)時(shí)間的增加而波動幅度增大[4]。我們曾報(bào)道在常規(guī)體外培養(yǎng)環(huán)境下,隨著傳代次數(shù)的遞增,hUC-MSCs 的增殖及粘附能力下降,細(xì)胞凋亡率增加,生物學(xué)活性呈逐漸下降趨勢[5]。已知MSCs發(fā)揮其造血支持、免疫調(diào)節(jié)功能與細(xì)胞因子密切相關(guān)[6-7]。本研究進(jìn)一步分析hUC-MSCs 在長期培養(yǎng)傳代過程中增殖細(xì)胞核抗原(proliferating cell nuclear antigen,PCNA)、白細(xì)胞介素-6 (interleukin-6,IL-6)、IL-11 和半乳糖凝集素-3(galectin-3)mRNA 及蛋白表達(dá)趨勢,為hUC-MSCs 的實(shí)驗(yàn)研究和臨床應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)資料和理論依據(jù)。

    材 料 和 方 法

    1 材料和試劑

    無菌條件下采集足月剖宮產(chǎn)胎兒臍帶6 份,均征得產(chǎn)婦及家屬的同意,由暨南大學(xué)第一附屬醫(yī)院婦產(chǎn)科提供;DMEM/F12 培養(yǎng)基和胎牛血清購自Gibco;人臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞成骨、成脂誘導(dǎo)分化培養(yǎng)基購自Cyagen;RNAsimple Total RNA Kit、TIANScript RT Kit、2 ×Taq Platinum PCR MasterMix 和RealMasterMix(SYBR GreenⅠ)購自北京天根生化科技有限公司;人IL-6 和人IL-11 定量檢測試劑盒購自上海西唐生物科技有限公司;RIPA 裂解液購自上海碧云天生物科技研究所;galectin-3 和β-actin 抗體購自北京博奧森生物技術(shù)有限公司;所有引物由英維捷基貿(mào)易有限公司合成。

    2 hUC-MSCs 的分離、傳代和生物學(xué)特征鑒定

    取8 cm 無菌臍帶組織,PBS 洗除余血,剪成約1 mm×1 mm×1 mm,經(jīng)0.2%膠原酶Ⅱ37 ℃振蕩消化2 h,過濾收集細(xì)胞,用含10%FBS 的DMEM/F12溶液按2.4 ×104cells/cm2密度接種于康寧25 cm2塑料培養(yǎng)瓶,置37 ℃、5%CO2、飽和濕度培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。當(dāng)培養(yǎng)細(xì)胞達(dá)90%融合時(shí),用0. 25% 胰酶消化,并按同一細(xì)胞密度傳代。收集第3、28 代細(xì)胞,用流式細(xì)胞儀檢測細(xì)胞表型。同時(shí)另取適量細(xì)胞于內(nèi)含膠原蛋白處理無菌蓋玻片的6 孔板內(nèi),如前繼續(xù)培養(yǎng)。成骨誘導(dǎo)組24 h 后將培養(yǎng)基更換為成骨誘導(dǎo)分化培養(yǎng)基(含DMEM/F12、10%胎牛血清、青霉素-鏈霉素雙抗、L-谷氨酰胺、抗壞血酸鹽、β-甘油磷酸及地塞米松),每3 d 換1 次液,2 ~3 周后,茜素紅染色鑒定;成脂誘導(dǎo)組待細(xì)胞達(dá)到過融合狀態(tài)時(shí),將培養(yǎng)基更換為成脂誘導(dǎo)分化培養(yǎng)基A 液(含DMEM/F12、10%胎牛血清、青霉素-鏈霉素雙抗、L-谷氨酰胺、胰島素、IBMX、吲哚美辛及地塞米松),3 d 后更換為B 液(含DMEM/F12、10%胎牛血清、青霉素-鏈霉素雙抗、L-谷氨酰胺和胰島素),24 h 后再次更換A 液,如此循環(huán)3 ~5 次后,以B 液培養(yǎng)7 d,油紅O 染色鑒定。

    3 qRT-PCR 檢測PCNA、IL-6、IL-11 和galectin-3 mRNA 表達(dá)

    分別收集第3、8、18、28、33 代達(dá)90%融合狀態(tài)的hUC-MSCs,按天根RNAsimple Total RNA Kit 提取RNA,TIANScript RT Kit 合成cDNA,用前按101,102,103,104稀釋。根據(jù)GenBank 數(shù)據(jù)庫,由Primer premier 5.0 軟件設(shè)計(jì)、公司合成人PCNA、IL-6、IL-11、galectin-3 和β2-微球蛋白(β2-microglobulin,β2M)引物。引物序列和預(yù)計(jì)擴(kuò)增片段長度見表1。根據(jù)Real Master Mix(含SYBR GreenⅠ)配置PCR反應(yīng)體系,95 ℃3 min 30 s,95 ℃15 s,Tm 30 s,70 ℃1 min 15 s,讀板,共44 個(gè)循環(huán)。結(jié)果以擴(kuò)增循環(huán)數(shù)(Ct 值)為縱坐標(biāo),各稀釋度的對數(shù)值為橫坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。觀察擴(kuò)增動力學(xué)曲線和溶解曲線,用公式2-ΔΔCt方法進(jìn)行相對定量,計(jì)算得出目的基因相對于管家基因β2M 的量。

    表1 引物序列Table 1. Sequences of the primers

    4 ELISA 檢測細(xì)胞培養(yǎng)上清IL-6 和IL-11 含量

    按1 ×108cells/L 濃度接種hUC-MSCs 于6 孔板中,當(dāng)細(xì)胞達(dá)90%融合時(shí),收集上清,按人IL-6和IL-11 定量檢測試劑盒操作分別檢測第3、8、18、28、33 代細(xì)胞的IL-6 和IL-11 分泌量。

    5 Western bloting 檢測galectin-3 蛋白表達(dá)

    采用RIPA 裂解液分別抽提第3、8、18、28、33 代hUC-MSCs 總蛋白。用10%分離膠SDS-PAGE 電泳,轉(zhuǎn)膜,5%脫脂奶粉室溫封閉4 h,加Ⅰ抗孵育,標(biāo)記結(jié)合Ⅱ抗,ECL 熒光顯色定影。

    6 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

    用SPSS 16.0 統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析。數(shù)據(jù)用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(±s)表示,多組間比較采用單因素方差分析(ANOVA),組間兩兩比較采用最小顯著差異法(LSD 法)。以P <0.05 為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

    結(jié) 果

    1 hUC-MSCs 的形態(tài)及生長特性

    經(jīng)膠原酶消化分離的人臍帶細(xì)胞接種24 h 后貼壁,3 d 后細(xì)胞形態(tài)呈多邊形或長梭形,同時(shí)含有部分雜細(xì)胞,見圖1A。傳至第3 代時(shí)細(xì)胞呈長梭形、大小均一平行排列為螺旋狀或旋渦狀的成纖維母細(xì)胞樣,見圖1B。繼續(xù)培養(yǎng)至第23 代,細(xì)胞形態(tài)無明顯變化,見圖1C。當(dāng)培養(yǎng)至第28 代時(shí),細(xì)胞生長速度減緩,細(xì)胞變大,形態(tài)雜亂,見圖1D。

    Figure 1. Morphology of human umbilical cord mesenchymal stem cells at different passages (×100). A:primary cells;B:passage 3;C:passage 23;D:passage 28.圖1 不同代人臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞的形態(tài)

    2 hUC-MSCs 的分化能力

    第3 代和第28 代hUC-MSCs 經(jīng)成骨誘導(dǎo)分化培養(yǎng)后,茜素紅染色細(xì)胞間可見大量的紅色鈣化基質(zhì)沉積,見圖2A、B;經(jīng)成脂誘導(dǎo)分化培養(yǎng)后,油紅O染色,細(xì)胞內(nèi)可見紅色脂滴,見圖2C、D,表明它們均具有向成骨細(xì)胞和脂肪細(xì)胞分化的潛能。

    Figure 2. Osteogenic (A,B;alizarin red staining,×100)and lipogenic (C,D;oil red O staining,×200)differentiation of human umbilical cord mesenchymal stem cells at the 3rd (A,C)and 28th (B,D)passages.圖2 第3、28 代人臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨和成脂分化

    3 hUC-MSCs 的表型

    流式細(xì)胞術(shù)檢測顯示體外培養(yǎng)第3 代和第28代hUC-MSCs 的細(xì)胞表型均為:CD29+/CD44+/CD105+/CD31-/CD34-/CD40-/CD45-/CD106-/HLA-DR-,見圖3A、B。

    4 不同代hUC-MSCs PCNA mRNA 的表達(dá)

    不同代hUC-MSCs 的qRT-PCR 檢測結(jié)果見表2,隨著傳代次數(shù)的增加,PCNA mRNA 的表達(dá)量逐漸降低,第28、33 代細(xì)胞與第3、8、18 代相比差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P <0.05 或P <0.01),第33 代較第3 代降低了33%(P <0.01)。

    5 不同代hUC-MSCs IL-6 的mRNA 表達(dá)和蛋白分泌

    不同代hUC-MSCs 的qRT-PCR 檢測結(jié)果見表2,隨著傳代次數(shù)的增加,IL-6 mRNA 逐漸降低,第28、33 代與第3、8、18 代相比差異顯著(P <0.05 or P <0.01),第33 代較第3 代IL-6 mRNA 的表達(dá)量降低了56%(P <0.01)。ELISA 檢測結(jié)果見表3,隨著傳代次數(shù)的增加,IL-6 蛋白分泌量也逐漸降低,第28、33 代與第3、8、18 代相比差異顯著(P <0.01),第33 代較第3 代降低了50.3%(P <0.01)。

    6 不同代hUC-MSCs IL-11 的mRNA 表達(dá)和蛋白分泌

    Figure 3. The surface markers of human umbilical cord mesenchymal stem cells at the 3rd and 28th passages detected by flow cytometry. A:passage 3;B:passage 28.圖3 流式細(xì)胞術(shù)檢測第3 代和第28 代人臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞表型

    表2 不同代人臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞的PCNA 、IL-6、IL-11 和galectin-3 mRNA 表達(dá)量Table 2. Expression of PCNA,IL-6,IL-11 and galectin-3 mRNA in different passages of human umbilical cord mesenchymal stem cells (±s.n=6)

    表2 不同代人臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞的PCNA 、IL-6、IL-11 和galectin-3 mRNA 表達(dá)量Table 2. Expression of PCNA,IL-6,IL-11 and galectin-3 mRNA in different passages of human umbilical cord mesenchymal stem cells (±s.n=6)

    * P <0.05,**P <0.01 vs passage 3;#P <0.05,##P <0.01 vs passage 28;△P <0.05,△△P <0.01 vs passage 33.

    Group PCNA IL-6 IL-11 Galectin-3 Passage 3 1##△△ 1##△△ 1##△△1 Passage 8 0.99 ±0.18#△△ 0.99 ±0.24##△△ 1.24 ±0.37##△△ 1.07 ±0.17 Passage 18 0.98 ±0.15##△△ 0.63 ±0.17**#△ 0.88 ±0.15* ##△△ 1.02 ±0.19 Passage 28 0.76 ±0.18** 0.42 ±0.22** 0.69 ±0.11** 1.01 ±0.25 Passage 33 0.67 ±0.15** 0.44 ±0.14** 0.63 ±0.14**0.97 ±0.16

    表3 不同代人臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞的IL-6 和IL-11 分泌量Table 3. Secretion of IL-6 and IL-11 in different passages of human umbilical cord mesenchymal stem cells (ng/L.±s.n=6)

    表3 不同代人臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞的IL-6 和IL-11 分泌量Table 3. Secretion of IL-6 and IL-11 in different passages of human umbilical cord mesenchymal stem cells (ng/L.±s.n=6)

    * P <0.05,**P <0.01 vs passage 3;#P <0.05,##P <0.01 vs passage 28;△P <0.05,△△P <0.01 vs passage 33.

    Group IL-6 IL-11 Passage 3 211.44±30.20##△△ 147.23±12.20##△△Passage 8 206.59±28.50##△△ 157.87±13.60##△△Passage 18 144.94±17.10**#△△ 118.85±10.20**##△△Passage 28 118.14±15.80** 50.10±6.10**△Passage 33 105.01±12.20** 60.39±5.90**

    不同代hUC-MSCs的qRT-PCR 檢測 結(jié)果見表2,隨著傳代次數(shù)的增加,IL-11 mRNA 逐漸降低,第18、28、33 代與第3、8 代相比差異顯著(P <0.05 or P <0.01),第33 代較第3 代表達(dá)量降低了37%(P <0.01)。ELISA 檢測結(jié)果見表3,隨著傳代次數(shù)的增加,IL-11 蛋白分泌量也會逐漸降低,第28、33代與第3、8、18 代相比差異顯著(P <0.01),第33 代較第3 代降低了58.9%(P <0.01)。

    7 不同代hUC-MSCs galectin-3 mRNA 和蛋白的表達(dá)

    不同代hUC-MSCs 的qRT-PCR 檢測結(jié)果見表2,顯示各代細(xì)胞之間galectin-3 mRNA 表達(dá)量無顯著差異(P >0.05)。Western bloting 結(jié)果見圖4,顯示各代間galectin-3 蛋白條帶亮度無明顯差異。

    Figure 4. Expression of galectin-3 protein in different passages of human umbilical cord mesenchymal stem cells. 1:passage 3;2:passage 8;3:passage 18;4:passage 28;5:passage 33.圖4 不同代人臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞galectin-3 蛋白的表達(dá)

    討 論

    MSCs 源自發(fā)育早期的中胚層,存在于多種機(jī)體組織內(nèi),具有來源廣泛、取材容易、分離純化程序簡單,便于體外長期傳代培養(yǎng)擴(kuò)增和保存等優(yōu)點(diǎn),已成為替代治療和基因治療領(lǐng)域中極具實(shí)用價(jià)值的干細(xì)胞。MSCs 能釋放大量細(xì)胞因子,在機(jī)體內(nèi)相互促進(jìn)或相互抑制,形成十分復(fù)雜的細(xì)胞因子調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)[8],對于MSCs 發(fā)揮造血支持、免疫調(diào)節(jié)、組織修復(fù)等功能具有重要意義。本文分析常規(guī)條件下長期傳代培養(yǎng)hUC-MSCs 的功能相關(guān)細(xì)胞因子PCNA、IL-6、IL-11 和galectin-3 mRNA 和蛋白表達(dá)變化情況,探討hUC-MSCs 相關(guān)功能在長期培養(yǎng)過程中的變化趨勢,為獲取具有最佳性能的hUC-MSCs 或選擇適當(dāng)?shù)募?xì)胞因子作干細(xì)胞治療輔助手段提供實(shí)驗(yàn)資料和理論依據(jù)。

    從正常剖宮產(chǎn)胎兒臍帶華氏膠組織中提取細(xì)胞,經(jīng)塑料培養(yǎng)瓶貼壁、傳代培養(yǎng)3 代后細(xì)胞呈均一的梭形成纖維母細(xì)胞樣聚集分布,傳代至第23 代時(shí)細(xì)胞形態(tài)無明顯變化,而傳代至第28 代時(shí)細(xì)胞有老化現(xiàn)象,繼續(xù)傳代至第33 代時(shí)老化現(xiàn)象尤其突出,細(xì)胞形體較大,碎片較多,生物學(xué)活性明顯降低,細(xì)胞生長不能維持到誘導(dǎo)分化所需的時(shí)間。為鑒定培養(yǎng)傳代起始和后期細(xì)胞的生物學(xué)特性,取第3 代和第28 代細(xì)胞進(jìn)行細(xì)胞表型和誘導(dǎo)分化能力的鑒定。第3 代和第28 代細(xì)胞表型均為CD29+/CD44+/CD105+/CD31-/CD34-/CD40-/CD45-/CD106-/HLA-DR-,且均可向成骨和脂肪細(xì)胞分化,證實(shí)我們從臍帶中分離培養(yǎng)的細(xì)胞符合首屆胎盤來源干細(xì)胞國際研討會及國際細(xì)胞治療協(xié)會關(guān)于MSCs 的標(biāo)準(zhǔn)[9],且可傳代培養(yǎng)至第33 代,第28 代仍保持MSCs 表型和分化能力。

    PCNA 是真核細(xì)胞DNA 聚合酶δ 的輔助蛋白,參與細(xì)胞增殖過程DNA 的合成,是反映細(xì)胞增殖活性的良好標(biāo)志物[10],實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示PCNA mRNA 表達(dá)隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加而減少,第33 代較第3 代PCNA mRNA 表達(dá)量降低了33%,差異顯著(P <0.01),證實(shí)長期傳代培養(yǎng)的hUC-MSCs 增殖能力隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加而下降,與我們報(bào)道的長期傳代培養(yǎng)的hUC-MSCs 生物學(xué)活性呈逐漸下降趨勢的結(jié)果一致[5]。

    MSCs 作為造血微環(huán)境主要細(xì)胞成分的來源,通過與造血細(xì)胞直接接觸、分泌細(xì)胞外基質(zhì)及多種細(xì)胞因子維持造血微環(huán)境結(jié)構(gòu)和功能的完整性,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對造血的精細(xì)調(diào)控[11]。MSCs 與造血干細(xì)胞聯(lián)合移植可促進(jìn)造血重建[12]。Majumdar 等[13]研究發(fā)現(xiàn)骨髓MSCs 穩(wěn)定的表達(dá)多種造血相關(guān)因子,支持長期造血活動。Friedman 等[14]進(jìn)一步證實(shí)hUC-MSCs 分泌的造血相關(guān)細(xì)胞因子(粒細(xì)胞集落刺激因子、粒細(xì)胞巨噬細(xì)胞刺激因子、肝細(xì)胞生長因子、白細(xì)胞抑制因子、IL-1a、IL-6、IL-8、IL-11)較骨髓MSCs 多。本實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)體外長期培養(yǎng)hUC-MSCs IL-6 及IL-11 的mRNA 和蛋白表達(dá)會隨細(xì)胞代數(shù)發(fā)生改變。第33 代較第3 代IL-6 和IL-11 mRNA及蛋白表達(dá)量均明顯降低(均P <0.01),提示hUC-MSCs 的造血支持能力可能隨著體外長期培養(yǎng)傳代而降低,因此在臨床應(yīng)用時(shí)需考慮此因素。

    MSCs 除了具有支持造血的功能外,還具有獨(dú)特的免疫學(xué)特性,在體外不僅能誘導(dǎo)免疫應(yīng)答,而且還具有抑制免疫反應(yīng)的作用。MSCs 免疫調(diào)節(jié)的機(jī)制主要涉及兩個(gè)方面,一方面是細(xì)胞的接觸機(jī)制,另一方面是非細(xì)胞接觸機(jī)制,即細(xì)胞因子的分泌和細(xì)胞蛋白的表達(dá)。Sioud 等[15]研究發(fā)現(xiàn),galectin-3 是MSCs 發(fā)揮免疫抑制功能的重要調(diào)節(jié)分子,MSCs 表達(dá)的galectin-3 可以抑制同種異體T 細(xì)胞增殖。本實(shí)驗(yàn)顯示,在體外長期傳代培養(yǎng)過程中hUC-MSCs galectin-3 mRNA 的表達(dá)無明顯變化,且各代細(xì)胞間galectin-3 蛋白的表達(dá)亦無明顯差異,這是否意味著體外長期傳代培養(yǎng)對hUC-MSCs 的免疫調(diào)節(jié)功能沒有影響,這有待進(jìn)一步探討。

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