孫 楠 張 群
表皮干細(xì)胞抽提物重編程脂肪干細(xì)胞表達(dá)表皮細(xì)胞表型的實(shí)驗(yàn)研究
孫 楠 張 群
目的研究富集的表皮干細(xì)胞(Keratinocytes enriched with epidermal stem cells,KSC)抽提物對重編程人脂肪干細(xì)胞(Adipose derived stem cells,ASCs)表達(dá)表皮細(xì)胞表型的影響。方法常規(guī)方法收集表皮細(xì)胞(Keratinocytes,KC)后,應(yīng)用Ⅳ型膠原差速貼壁法分別收集KSC與富集后剩余的表皮細(xì)胞(Keratinocytes enriched with epidermal stem cells left,KCL),鑒定K19和P63的陽性表達(dá)率,Gimsa染色法測定KC、KSC、KCL的克隆形成率,分別制備KC、KSC、KCL的細(xì)胞抽提物,作用于鏈球菌溶血素-O(SLO)通透處理過的原代ASCs,分別應(yīng)用流式細(xì)胞儀與Western-blot測定重編程后ASCs中廣譜角蛋白(Pan cytokeratin,P-CK)與ASCs的BRG1表達(dá)變化。結(jié)果KSC與KC、KCL來源的細(xì)胞抽提物重編程ASCs的CK及BRG1表達(dá)率,均有明顯統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P<0.01)。結(jié)論脂肪干細(xì)胞在表皮細(xì)胞抽提物的誘導(dǎo)作用下能表達(dá)表皮細(xì)胞表型,且對表皮細(xì)胞優(yōu)化處理后的KSC有更加顯著的重編程作用。
表皮干細(xì)胞脂肪干細(xì)胞重編程細(xì)胞抽提物
細(xì)胞重編程技術(shù)是近年來研究的熱點(diǎn),重編程能使細(xì)胞表型轉(zhuǎn)化為目的細(xì)胞表型[1],細(xì)胞抽提物重編程的優(yōu)勢在于制備獲取過程簡單,重復(fù)性好[2]。自體脂肪組織作為活性移植物在外科組織重建與美容修復(fù)等方面應(yīng)用廣泛[3],而脂肪干細(xì)胞在特定的條件下具有多向分化潛能和自我增殖的特性,來源豐富、取材容易、創(chuàng)傷小。使用脂肪干細(xì)胞作為種子細(xì)胞,通過細(xì)胞重編程的方法誘導(dǎo)其表達(dá)表皮細(xì)胞表型,可以解決臨床供體細(xì)胞不足的問題,如大面積皮膚缺損導(dǎo)致供皮區(qū)不足。目前,關(guān)于表皮細(xì)胞抽提物重編程脂肪干細(xì)胞的相關(guān)研究較少,因此,我們擬對來源于表皮干細(xì)胞的抽提物對脂肪干細(xì)胞重編程效果進(jìn)行研究。
1.1 材料
DMEM培養(yǎng)基(Gibco公司,美國),胰蛋白酶(Gibco公司,美國),胎牛血清(FBS,Hyclone公司,美國),膠原酶NB4(Serva公司,德國),細(xì)胞裂解液(Sigma公司,美國),溶血鏈球菌素(Streptolysin,SLO;Sigma公司,美國),細(xì)胞乳化超聲破碎儀(上海比朗儀器有限公司,中國),ATP生成體系(Sigma公司,美國),GIS22800型凝膠圖像處理系統(tǒng)(上海天能科技公司)。流式直標(biāo)抗體:FITC-廣譜角蛋白抗體(Pan cytokeratin antibody,Anti-P-CK),F(xiàn)ITC-角蛋白19(FITC-Cytokeratin19,CK19),PE-P63小鼠單克隆抗體(Santa Cruz公司)。
1.2 實(shí)驗(yàn)方法
1.2.1 表皮干細(xì)胞的分離培養(yǎng)
取皮膚組織(來源我科上瞼或下瞼手術(shù)切除的健康皮膚,供者年齡為30~46歲,獲患者知情同意),先用D-Hank's液洗2次,浸入含青霉素、鏈霉素的平衡鹽溶液30 min,無菌條件下徹底清洗,去除皮下組織及部分真皮,將皮膚剪切成約0.5 cm寬的皮條,0.5%DispaseⅡ消化,4℃過夜;吸棄上清,分離表皮和真皮層,將表皮剪碎,加0.25%胰蛋白酶消化,37℃、5%CO2條件下孵育15 min,用含血清培養(yǎng)基終止消化,過150目不銹鋼濾網(wǎng)篩,收集濾液,1 000 r/min離心5 min;棄上清,用人表皮干細(xì)胞培養(yǎng)基重新懸浮細(xì)胞(KC),吹打成單細(xì)胞懸液,錐蟲藍(lán)染色,以2.0×106cells/mL接種于預(yù)先鋪有人胎盤Ⅳ型膠原的培養(yǎng)瓶內(nèi),37℃5%的CO2培養(yǎng)箱中孵育15 min后,吸出培養(yǎng)液及未貼壁細(xì)胞(KCL),用未加血清的培養(yǎng)基洗2次,留在培養(yǎng)皿內(nèi)的細(xì)胞(KSC)加入KSFM表皮干細(xì)胞培養(yǎng)基,隔天半量換液,以后2~3 d換液1次,光鏡下觀察細(xì)胞生長情況。
留在培養(yǎng)瓶內(nèi)的細(xì)胞為富集的表皮干細(xì)胞(KSC),吸出的未貼壁細(xì)胞為富集后剩余表皮細(xì)胞(KCL),未分選的表皮細(xì)胞為常規(guī)方法收集的表皮細(xì)胞(KC)。
1.2.2 脂肪干細(xì)胞的分離培養(yǎng)
無菌條件下取脂肪抽吸術(shù)后的腹部脂肪組織,用磷酸鹽緩沖液(PBS)沖洗3次,以除去紅細(xì)胞和細(xì)胞碎片。清洗后加入等體積0.1%的Ⅱ型膠原酶,37℃恒溫?fù)u床消化2 h后,1 500 r/min離心5 min,棄去上清液和漂浮的脂肪細(xì)胞,獲得高密度的細(xì)胞沉淀物。用含有10%胎牛血清(FBS)、1%雙抗(青霉素penicillin,鏈霉素streptomycin)的DMEM培養(yǎng)液重懸后,以1×106cells/cm2的細(xì)胞密度接種于10 cm培養(yǎng)皿內(nèi)。本實(shí)驗(yàn)所用ADSCs為培養(yǎng)的原代細(xì)胞。
1.2.3 流式細(xì)胞儀檢測
收集待測細(xì)胞懸液,1 000 r/min離心5 min;棄上清,1%多聚甲醛室溫固定30 min,用10%FCS DMEM調(diào)整細(xì)胞濃度為5×106~1×107cells/mL,取200 μL細(xì)胞懸液加入離心管,行細(xì)胞角蛋白19 (K19)(1:50)和P63(1:100)流式細(xì)胞儀分析,記錄觀察數(shù)據(jù)。
1.2.4 克隆形成率測定
將培養(yǎng)的KSC、KC和KCL分別分散成單細(xì)胞懸液,按200個(gè)/孔接種到培養(yǎng)板中繼續(xù)培養(yǎng)。2周后Gimsa染色,顯微鏡下觀察。進(jìn)行細(xì)胞克隆計(jì)數(shù),并計(jì)算克隆形成率(克隆形成率(%)=細(xì)胞克隆數(shù)/接種細(xì)胞數(shù)×100%)。
1.2.5 表皮細(xì)胞抽提物制備
收集到的表皮細(xì)胞用PBS清洗2次后離心,棄上清后加入預(yù)冷的細(xì)胞裂解液。細(xì)胞懸液用脈沖超聲勻漿化,直至光鏡下觀察不到細(xì)胞結(jié)構(gòu)。4℃15 000 r/min離心15 min,提取上層蛋白質(zhì)溶液,分裝于凍存管中,迅速于液氮中冷凍1 min,放入-80℃冰箱中保存?zhèn)溆谩?/p>
1.2.6 抽提物加入鏈球菌溶血素O滲透處理ASCs
取原代培養(yǎng)的ASCs,于冰冷的PBS中洗滌2遍后,分裝于1.5 mL的EP管中,4℃下1 500 r/min離心5 min,棄去上清液,加入濃度為230 ng/mL的SLO溶液。每100 μL SLO溶液中平均1×105個(gè)細(xì)胞。將細(xì)胞置于37℃水浴中50 min,每隔15 min重懸1次。50 min后,離心收集細(xì)胞。每1×105個(gè)細(xì)胞加入100 μL抽提液和ATP生成體系(1 mmolATP,10 mmol磷酸肌酸,25 μg/mL肌酸激酶及ATP、CTP、GTP、UTP各1 mmol/L),37℃水浴箱中孵育1 h,每20 min重懸1次。此過程中,抽提液中成分進(jìn)入ASCs內(nèi)。孵育結(jié)束后,加入含10%FBS的DMEM(含有2 mmol的CaCl2),放置于37℃水浴中2 h,以封閉胞膜孔道。離心后加入表皮培養(yǎng)液混勻,接種于培養(yǎng)皿上。24 h換液,以后每3天換液1次。
1.2.7 Western-blot方法檢測
取KSC、KC和KCL抽提物重編程的ASCs,RI-PA裂解液裂解細(xì)胞,BCA法進(jìn)行蛋白質(zhì)濃度測定,取20 μg等量蛋白質(zhì)進(jìn)行聚丙烯酰胺凝膠電泳(SDS-PAGE),免疫印跡法檢測BRG1蛋白表達(dá)變化。1.2.8統(tǒng)計(jì)學(xué)分析
采用SPSS 16.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,數(shù)據(jù)以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示,組間采用單因素方差分析。
2.1 被分選的KSC、KC和KCL細(xì)胞的CFE觀察(Gimsa染色)
KSC的克隆形成團(tuán)塊多于KC和KCL(圖1),顯微鏡下觀察計(jì)數(shù),計(jì)算細(xì)胞克隆形成率(圖2)。KSC、KC和KCL的CFE分別為:30.08%±4.29%;5.12%±3.03%;0.78%±0.66%(P<0.01)。
圖1 KSC、KC和KCL細(xì)胞克隆形成情況大體觀察Fig.1The observation of clone forming of KSC,KC and KCL
圖2 KSC、KC和KCL的克隆形成率Fig.2Cloning forming efficiency of KSC,KC,and KCL
2.2 被分選的KSC、KC和KCL細(xì)胞表型流式鑒定
流式細(xì)胞檢測發(fā)現(xiàn)(圖3),KSC、KC和KCL中K19+細(xì)胞表達(dá)率分別為93.28%±3.11%、23.12%± 3.82%和7.83%±2.29%(P<0.01);KSC、KC和KCL中P63+細(xì)胞表達(dá)率分別為90.67%±5.52%、18.87%± 2.21%和3.01%±1.07%(P<0.01)。
2.3 三組表皮細(xì)胞抽提物重編程ASCs的CK表達(dá)的流式鑒定
經(jīng)過KSC、KC和KCL抽提物誘導(dǎo)后,CK在ASCs中的表達(dá)量分別為13.31%±4.29%、5.66%±3.11%和0.89%±0.19%(圖4)。
2.4 三組表皮細(xì)胞抽提物重編程ASCs的BRG1表達(dá)
非溶解型BRG1在KSC,、KC和KCL中的蛋白質(zhì)表達(dá)強(qiáng)度分別為1.83%±0.27%、0.76%±0.14%和0.07%±0.05%??梢娭鼐幊绦?yīng)在KSC抽提物誘導(dǎo)組最強(qiáng)(圖5)。
圖3 流式細(xì)胞儀檢測被分選的KSC、KC和KCL的K19、P63的表達(dá)Fig.3K19 and P63 expression of KSC,KC,and KCL detected by flow cytometry
圖4 流式細(xì)胞儀檢測三組來源的細(xì)胞抽提物重編程的ASCs的廣譜角蛋白抗體-FITC的表達(dá)Fig.4The expression of cytokeratin(CK)changes of ASCs reprogrammed by different keratinocyte extracts
圖5 三組表皮細(xì)胞抽提物作用下ASCs中BRG1的表達(dá)Fig.5The expression of BRG1 of ASCs reprogrammed by cell extracts of KSC,KC,and KCL
細(xì)胞抽提物介導(dǎo)的重編程是體細(xì)胞重編程的一種方法,不同于經(jīng)典的核移植或細(xì)胞融合[4-7]的重編程方法。細(xì)胞抽提物重編程的目的,是使已經(jīng)分化的體細(xì)胞轉(zhuǎn)分化為另一種細(xì)胞類型,或者去分化為多能干細(xì)胞狀態(tài)[1,8]。已經(jīng)有許多文獻(xiàn)顯示,細(xì)胞抽提物重編程模式被證實(shí)是一種有效模式[9-12]。實(shí)驗(yàn)中所制備的細(xì)胞抽提物的成分為細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核的可溶解部分,不包括染色質(zhì)[13]。目前,細(xì)胞抽提物誘導(dǎo)重編程后的細(xì)胞與目的細(xì)胞僅形態(tài)上相近,或者具有相似的細(xì)胞表型及功能,并不能確定必然完全分化至同種細(xì)胞。細(xì)胞抽提物重編程的機(jī)制尚不明確,可能與目的基因啟動子的組蛋白H3、H4乙酰化(或甲基化)和DNA甲基化有關(guān),引起決定細(xì)胞特性的基因轉(zhuǎn)錄上調(diào)、活化或下調(diào)[8],從而改變受體細(xì)胞形態(tài)。
在成人的表皮基底層中存在大量干細(xì)胞(KSC),部分有絲分裂為子代細(xì)胞,還有部分以短暫擴(kuò)增細(xì)胞(TA)形式存在,共同參與角質(zhì)化過程。表皮干細(xì)胞具有慢周期性和巨大的增殖潛能[14]。人體正常皮膚中的KSC相對靜止,主要功能是分裂增殖維持表皮的自然更替;皮膚組織損傷時(shí)愈合創(chuàng)面[15]。KSC在體外培養(yǎng)的條件下仍能保持干細(xì)胞特性,即自我更新和增殖分化潛能;而普通的表皮細(xì)胞離開體內(nèi)環(huán)境后不可避免得發(fā)生終末分化[16]。因此,體外培養(yǎng)研究中,表皮干細(xì)胞相對普通表皮細(xì)胞有更大的優(yōu)勢,將表皮干細(xì)胞分選出來可能成為優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件的因素。
用細(xì)胞外基質(zhì)成分Ⅳ型膠原分選表皮干細(xì)胞。14 d觀察到KSC組細(xì)胞貼壁聚集成團(tuán)較為明顯,而KC組和KCL組的細(xì)胞數(shù)目明顯少于KSC組(P<0.01),換液后染色,可見KSC組細(xì)胞克隆形成明顯,細(xì)胞伸展良好,密度適中;KC組細(xì)胞較分散,聚集成團(tuán)較少;KCL組少量細(xì)胞貼壁,幾乎沒有克隆形成。說明富集方法收集的表皮干細(xì)胞(KSC)的分裂增殖能力最強(qiáng),分選后剩余細(xì)胞(KCL)的增殖能力差,未分選的表皮細(xì)胞(KC)介于兩者之間,具有一定的體外增殖能力。
K19起初被認(rèn)為在毛囊的隆起區(qū)域特定表達(dá)。近年來發(fā)現(xiàn),在人毛囊的隆起區(qū)域的最外層根鞘和鄰近區(qū)域也有表達(dá),是決定細(xì)胞向表皮細(xì)胞表型分化的重要表面標(biāo)志分子[17,19]。核轉(zhuǎn)錄因子P63是腫瘤抑制基因P53的同族產(chǎn)物,對表皮組織的發(fā)育、分化、形態(tài)發(fā)生具有重要作用,主要在表皮干細(xì)胞、TA細(xì)胞、基底層或接近基底層的表皮細(xì)胞或毛囊細(xì)胞中高表達(dá),終末分化的表皮細(xì)胞中的表達(dá)量低[18-19]。KSC、KC和KCL均有K19和P63表達(dá),其中KSC的K19和P63的陽性細(xì)胞表達(dá)率最高。
廣譜角蛋白抗體是上皮細(xì)胞特異性抗體,免疫熒光染色后,流式細(xì)胞儀檢測三組重編程后的ASCs。KSC組誘導(dǎo)的ASCs的CK表達(dá)率最高,說明該組細(xì)胞抽提物重編程后的ASCs的表皮細(xì)胞化最明顯。
BRG1是細(xì)胞重編程過程中的關(guān)鍵物質(zhì)。人類BRG1基因定位于染色體19p上,BRG1基因組共由35個(gè)外顯子和34個(gè)內(nèi)含子構(gòu)成,基因編碼的蛋白質(zhì)相對分子量為205 KD[20]。文獻(xiàn)報(bào)道,BRG1參與轉(zhuǎn)錄的多個(gè)環(huán)節(jié),如識別被修飾的DNA結(jié)合蛋白,作為SWI/SNF復(fù)合體的核心酶成分介導(dǎo)招募染色質(zhì)結(jié)構(gòu)重塑、參與轉(zhuǎn)錄激活、轉(zhuǎn)錄抑制和基因沉默[21]。SWI/SNF復(fù)合體能夠使DNA從核小體部分解離,并使八聚體移動和改變核小體結(jié)構(gòu),但該復(fù)合體如何靶向特異性促進(jìn)之而產(chǎn)生轉(zhuǎn)錄活化因子的機(jī)制暫時(shí)還不清楚[22]。Bultman等[23]發(fā)現(xiàn),哺乳動物的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)重塑對于合子基因組活化中重編程基因的表達(dá)有至關(guān)重要的作用。本實(shí)驗(yàn)中,收集3組細(xì)胞抽提物誘導(dǎo)作用下的重編程脂肪干細(xì)胞,通過Western-Blot的方法,檢測各組BRG1蛋白的表達(dá)量,KSC組的BRG1的表達(dá)量最多,提示KSC抽提物的重編程效應(yīng)最強(qiáng)。
綜上所述,細(xì)胞抽提物重編程由于能改變已經(jīng)分化的細(xì)胞的命運(yùn),使其重回多能干細(xì)胞狀態(tài)或者轉(zhuǎn)分化為另一種細(xì)胞類型,為組織工程學(xué)研究提供了新的方法。但細(xì)胞抽提物重編程還有許多基礎(chǔ)問題沒有解決,比如重編程的具體機(jī)制,重編程效率低等。在現(xiàn)有的研究條件下,抽提物介導(dǎo)的重編程效應(yīng)短暫且不穩(wěn)定[24]。重編程后對受體細(xì)胞的基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控的持續(xù)時(shí)間,以及表達(dá)新表型的穩(wěn)定性的問題是未來研究的熱點(diǎn)。盡管和胚胎干細(xì)胞(ESCs)以及多能干細(xì)胞(iPSCs)相比,ASCs作為一種成體干細(xì)胞的分化潛能有所限制[25],但是ASCs由于易獲取、具備多向分化潛能、增殖能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)成為臨床應(yīng)用和實(shí)驗(yàn)研究中的熱點(diǎn),以ASCs為基礎(chǔ)的干細(xì)胞研究將為今后解決臨床實(shí)際問題帶來新辦法。表皮干細(xì)胞相對普通表皮細(xì)胞有強(qiáng)大的增殖分化能力,通過Ⅳ型膠原差速貼壁法能夠穩(wěn)定有效地分離出表皮干細(xì)胞[26]。實(shí)驗(yàn)表明,表皮細(xì)胞抽提物能誘導(dǎo)脂肪干細(xì)胞向表皮細(xì)胞表型分化,而富集方法收集的表皮干細(xì)胞抽提物的重編程效應(yīng)較對照組有顯著差異,這可能和表皮干細(xì)胞抽提物內(nèi)的某些物質(zhì)加速了重編程的進(jìn)程有關(guān),具體機(jī)制有待進(jìn)一步探明。
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(收稿日期:2013年3月6日;修回日期:2013年4月15日)
Research of Reprogramming of Adipose Derived Stem Cells to Express Keratinocyte Phenotype Using Cell Extracts of Keratinocyte Stem Cells
SUN Nan,ZHANG Qun.Department of Plastic and Reconstructive Surgery,Shanghai Ninth People's Hospital,Shanghai Jiaotong University School of Medicine,Shanghai 200011,China.Corresponding author:ZHANG Qun(Email:qunzhang737@sina.com).
ObjectiveTo evaluate the role of the cell extracts of keratinocyte stem cells(Keratinocytes enriched with epidermal stem cells,KSC)express keratinocytes phenotype of reprogramming of the adipose derived stem cells(Adipose derived stem cells,ASCs).MethodsKeratinocytes(KC)were collected in conventional methods,then KSC were isolated from KC with differential attachment to recycled collagenⅣand KCL were gathered by not attached cells in suspension culture solution.Clone forming efficiency(CFE)of KC,KSC,KCL were detected with Gimsa staining methods.Cell extracts of KC,KSC and KCL were prepared respectively.Primary cultured adipose derived stem cells were permeabilized using streptolysin O(SLO),and then incubated with cell extracts.Flow cytometry and western-blot were used to detect the expression of pan cytokeratin(Pan cytokeratin,CK)and Brahma-related Gene 1(BRG1)of reprogrammed ASCs.ResultsCell extracts of KSC comparing with that of KC and KCL,had a statistically significant difference(P<0.01)in reprogramming of ASCs with high expression of CK and BRG1.ConclusionAdipose derived stem cells could be induced to express keratinocyte phenotype with cell extracts of keratinocytes,and optimized keratinocyte stem cells have superiority of reprogramming ability.
Keratinocyte stem cells;Adipose derived stem cell;Reprogramming;Cell extracts
Q813.1+1
A
1673-0364(2013)03-0129-05
2013年2月10日;
2013年3月5日)
200011上海市上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院整復(fù)外科。
張群(電子郵箱:qunzhang737@sina.com)。
10.3969/j.issn.1673-0364.2013.03.003