Bcl-2改善老年人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞抗缺氧損傷能力的研究

陳 巍 張東旸 白 龍 范 明 蔣樹林 田 海

既往研究已經(jīng)證實(shí)，骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（human mesenchymal stem cells，hMSCs）能有效改善心肌梗死后的心臟功能[1-2]。然而，近年來在臨床研究中應(yīng)用自體hMSCs移植治療心肌梗死的效果卻不理想。前期研究中，我們發(fā)現(xiàn)臨床心肌梗死患者多為老年人并進(jìn)一步證實(shí)了自體干細(xì)胞移植治療心肌梗死效果不佳的主要原因與供體年齡相關(guān)，老年人hMSCs移植后的大量死亡可能影響了治療效果[3]。為進(jìn)一步探索改善老年人hMSCs治療心肌梗死效果的方法，本次研究將B淋巴細(xì)胞瘤-2基因（Bcl-2）轉(zhuǎn)染至老年hMSCs，以期增強(qiáng)老年hMSCs移植后的在心肌梗死心臟的存活能力，觀察能否增強(qiáng)老年hMSCs移植治療心肌梗死的效果。

材料與方法

1.材料 研究開始前我院倫理委員會討論并通過了本實(shí)驗(yàn)中人類骨髓的獲取及研究，骨髓來源于我院心臟外科手術(shù)患者，取材前詳細(xì)告知患者或其家屬骨髓取材過程及用途，并簽訂知情同意書，老年人骨髓來自于50～70歲心臟瓣膜病患者，有發(fā)紺、肝炎、梅毒、嚴(yán)重器官功能障礙或肺動脈高壓的患者均被排除在供體選擇之外。大鼠由哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院動物實(shí)驗(yàn)中心提供，選擇12周齡清潔級雌性Wistar大鼠，體質(zhì)量200～250g。轉(zhuǎn)染用重組質(zhì)粒pIRES2-EGFP/Bcl-2購于上海生博醫(yī)學(xué)生物工程科技有限公司，Inspira小動物呼吸機(jī)廠商為Harvard Apparatus。

2.方法 （1）老年人hMSCs的分離、培養(yǎng)及鑒定 心外科手術(shù)正中開胸前，于胸骨抽取5 mL骨髓并加入等量的PBS后充分混勻，于離心管中加入與骨髓和PBS混合液等量的Ficoll離心液，并按1∶1的比例小心加入骨髓與PBS的混合液，以400倍重力，4℃條件下離心20min后，取中間白色單核細(xì)胞層接種到培養(yǎng)瓶中，用含10%胎牛血清和抗生素的IMDM培養(yǎng)基在含5%CO2的37℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)48 h后更換培養(yǎng)液，此后每隔2～3 d換一次培養(yǎng)液至細(xì)胞80%匯合時，應(yīng)用胰酶消化法（0.25%胰蛋白酶和0.02%EDTA）消化和傳代。第3代細(xì)胞使用流式細(xì)胞儀進(jìn)行鑒定，CD29、CD90、CD105陽性而CD34、CD45、CD133陰性的即為目的細(xì)胞。

（2）Bcl-2轉(zhuǎn)染老年hMSCs及鑒定 應(yīng)用上海吉瑪制藥技術(shù)有限公司提供Bcl-2質(zhì)粒進(jìn)行擴(kuò)增和提取后，按照轉(zhuǎn)染試劑盒說明書步驟將Bcl-2基因轉(zhuǎn)染至老年hMSCs，利用綠色熒光蛋白在轉(zhuǎn)染后48 h在熒光倒置顯微鏡下觀察細(xì)胞轉(zhuǎn)染情況并應(yīng)用流式細(xì)胞儀檢測細(xì)胞轉(zhuǎn)染效率。

3.體外缺氧培養(yǎng)模型的建立 用含10%胎牛血清的培養(yǎng)液將轉(zhuǎn)染前后的老年hMSCs配成單個細(xì)胞懸液，每組細(xì)胞每次測量共設(shè)3個復(fù)孔，以5 000個/孔的密度鋪于事先置于24孔板中的細(xì)胞載玻片上，每孔100μL的10%胎小牛血清IMDM在含5%CO2、37℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24 h，各孔更換無血清IMDM培養(yǎng)液至終體積500μL，置于用含5%CO2和95%N2的混合氣體調(diào)整氧濃度至2%的37℃缺氧培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24 h。

（4）缺氧培養(yǎng)后各組細(xì)胞凋亡的檢測 將轉(zhuǎn)染前后的老年hMSCs經(jīng)過缺氧培養(yǎng)后，按照試劑盒說明書步驟應(yīng)用Annexin V/PI雙染色法測定各組細(xì)胞缺氧前后早期凋亡情況并進(jìn)行對比。

（5）大鼠心肌梗死模型的制備 Wistar大鼠，6～8周齡，（250±20）g，按體質(zhì)量給予10%水合氯醛3 mL/kg腹腔注射麻醉，16G靜脈留置針氣管插管，小動物呼吸機(jī)輔助呼吸，以心尖搏動最強(qiáng)點(diǎn)為中心，沿第四肋間做橫行切口，約2～3 cm，依次切開皮膚、筋膜及肋間肌肉，以自制肋間拉鉤暴露術(shù)野，撕開心包，結(jié)扎點(diǎn)在肺動脈圓錐和心尖連線上，于左心耳下方1～2mm處進(jìn)針，方向與左心耳的邊緣平行，進(jìn)針深度約1.5mm，結(jié)扎時可見冠脈遠(yuǎn)端心肌變白，室壁運(yùn)動明顯減弱，冠狀動脈結(jié)扎后15 min，將轉(zhuǎn)染前后老年hMSCs 2×106個細(xì)胞與同等體積培養(yǎng)基混合后注射到在缺血區(qū)和正常心肌交界區(qū)域，共選擇3點(diǎn)，每點(diǎn)約40μL，關(guān)胸后每日觀察大鼠情況。

（6）各組細(xì)胞移植后的存活檢測 術(shù)后四周大鼠腹腔注射9 mL/kg的10%水合氯醛，麻醉過量致死，迅速開胸，阻斷主動脈遠(yuǎn)端，于近端灌注4℃心臟停跳液約5 mL，至心臟停跳，取下心臟置于4%多聚甲醛中固定48 h，95%乙醇脫水，常規(guī)石蠟包埋。切片應(yīng)由心尖至心底按短軸平面連續(xù)切片，保證心尖、心底和心肌梗死區(qū)域都能切到，每張切片厚度約5μm。組織切片經(jīng)人線粒體染色后存活細(xì)胞呈棕色，每只實(shí)驗(yàn)動物隨機(jī)選取3張切片，每張切片選取5個放大200倍視野進(jìn)行觀察，計(jì)數(shù)每個視野內(nèi)陽性染色的細(xì)胞數(shù)，從而計(jì)算各組細(xì)胞移植后的存活數(shù)量。

（7）各組細(xì)胞移植后心功能的檢測 設(shè)定單純心肌梗死大鼠模型為對照組，以及老年細(xì)胞移植組和Bcl-2轉(zhuǎn)染后老年細(xì)胞移植組。實(shí)驗(yàn)大鼠在梗死模型建立前、梗死模型建立后1周、2周和4周行心臟超聲測量心功能。大鼠以3 mL/kg的10%水合氯醛腹腔注射麻醉后，胸部剪毛，置仰臥位。11.5MHz探頭檢測對照組及各組細(xì)胞移植后不同時間點(diǎn)的EF并進(jìn)行對比分析。

3.統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 使用SPSS19軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。所有計(jì)量數(shù)據(jù)都采用均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，比較分析采用t檢驗(yàn)，采用重復(fù)測量方差比較分析超聲心動圖檢測各組細(xì)胞移植后心功能情況。以P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

結(jié) 果

1.老年hMSCs的培養(yǎng)、鑒定及轉(zhuǎn)染 按前述方法在術(shù)中獲得的骨髓經(jīng)分離培養(yǎng)至第3代時，所獲細(xì)胞形態(tài)呈間充質(zhì)干細(xì)胞的長梭型、成旋渦狀或放射狀排列，經(jīng)流式細(xì)胞儀測定穩(wěn)定表達(dá)表面抗原CD29、CD90、CD105，不表達(dá)其他干細(xì)胞細(xì)胞表面抗原CD34、CD45、CD133，轉(zhuǎn)染Bcl-2基因后能夠穩(wěn)定表達(dá)所帶綠色熒光蛋白，經(jīng)流式細(xì)胞儀檢測細(xì)胞轉(zhuǎn)染效率為11.5%（圖1）。

2.缺氧培養(yǎng)后的細(xì)胞凋亡情況 按前述方法進(jìn)行Anexin V/PI雙染后通過流式細(xì)胞儀檢測，可見缺氧前轉(zhuǎn)染前后O-MSC（the old mesenchymal stem cells）的早期凋亡幾乎沒有，而缺氧后兩組細(xì)胞的早期凋亡細(xì)胞數(shù)均有增多，且O-MSC組的早期凋亡細(xì)胞數(shù)較多（圖2～4）。

3.移植后的細(xì)胞存活情況 兩組O-MSC移植術(shù)后四周，大鼠心臟切片經(jīng)人線粒體特異染色結(jié)果可見O-MSC+Bcl-兩組沿注射路徑分布的移植細(xì)胞呈圓形、被染成棕黃色，而O-MSC組中幾乎見不到存活的移植細(xì)胞（圖5～6）。

4.移植后的心功能 超聲心動圖結(jié)果所示術(shù)前各組間射血分?jǐn)?shù)無差別，術(shù)后不論是一周、兩周還是四周，O-MSC+Bcl-兩組的射血分?jǐn)?shù)與兩外兩組相比均有差異，對照組和O-MSC組相比未見到差異，因此移植O-MSC+Bcl-兩組的射血分?jǐn)?shù)與對照組和移植O-MSC組相比得到了明顯提高（圖7）。

圖1 Bcl-2的轉(zhuǎn)染情況A：O-hMSCs轉(zhuǎn)染Bcl-2的GFP表達(dá)（400×）； B：流式細(xì)胞儀測定Bcl-2的轉(zhuǎn)染效率

圖2 缺氧處理前的O-MSC A：處理前OMSC；B：轉(zhuǎn)染Bcl-2的O-MSC

圖3 缺氧處理后的O-MSC A：處理后O-MSC；B：轉(zhuǎn)染Bcl-2的O-MSC

圖4 缺氧處理前后兩組細(xì)胞的早期凋亡對比分析

圖5 術(shù)后四周大鼠心臟梗死邊緣區(qū)鏡下所見細(xì)胞存活情況（x400）A：O-MSC+Bcl-2；B：O-MSC，箭頭所指為人線粒體染色陽性細(xì)胞

圖6 兩組細(xì)胞移植術(shù)后四周大鼠心臟梗死邊緣區(qū)細(xì)胞存活情況

圖7 對照組、O-MSC組和O-MSC+Bcl-兩組術(shù)前、術(shù)后一周、兩周及四周射血分?jǐn)?shù)

討 論

雖然既往大量動物實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證實(shí)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞移植能夠有效改善心肌梗死后的心臟功能[4]，但在臨床研究中應(yīng)用自體間充質(zhì)干細(xì)胞治療心肌梗死效果明顯低于動物實(shí)驗(yàn)的結(jié)果[5]。通過研究分析我們已經(jīng)證實(shí)，由于老年hMSCs在缺氧環(huán)境下的存活能力、血管再生能力和改善間質(zhì)重構(gòu)能力明顯弱于年輕患者[3]。因此，如果能夠增強(qiáng)老年hMSCs在心肌梗死區(qū)域的存活數(shù)量及存活時間即可解決自體干細(xì)胞移植治療心肌梗死的效果。

細(xì)胞凋亡的分子和生化機(jī)制迄今雖尚未徹底明了[6-7]，但已形成的初步認(rèn)識大多源于對Bcl-2基因家族的研究[8-9]，而Bcl-2基因的抑制凋亡作用在近年來的一些研究已得到了較為深入的研究，其抗凋亡作用已被廣泛認(rèn)可[10]。Bcl-2抗細(xì)胞凋亡的機(jī)制可能在于Bcl-2與凋亡促進(jìn)基因Bax形成二聚體、通過直接或間接的方式阻止胞漿內(nèi)細(xì)胞色素C對Caspases蛋白酶的激活、通過直接或間接地影響內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中Ca2+的釋放等[11]，從而實(shí)現(xiàn)抑制或調(diào)節(jié)細(xì)胞凋亡的發(fā)生。在我們的前期研究中發(fā)現(xiàn)年輕hMSCs中的Bcl-2含量明顯高于老年hMSCs，而年輕hMSCs的抗缺氧損傷能力明顯強(qiáng)于老年hMSCs。因此，我們認(rèn)為年齡可能影響了骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞Bcl-2的分泌，使得這種能夠抑制細(xì)胞凋亡發(fā)生的“抗凋亡基因”隨著年齡的增高而減少，從而減少了老年hMSCs移植后的存活數(shù)量進(jìn)而減弱了其治療心肌梗死的效果。在本項(xiàng)研究中，我們嘗試?yán)肂cl-2基因修飾了O-hMSC，使得轉(zhuǎn)染后的O-hMSCs在缺氧的培養(yǎng)環(huán)境中和移植至缺血缺氧的心肌梗死區(qū)域時均具有更強(qiáng)的存活能力，進(jìn)而在動物實(shí)驗(yàn)中證實(shí)了此種方法能夠增強(qiáng)O-hMSCs移植治療心肌梗死的效果。

因此，利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)增強(qiáng)自體骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞存活能力的方法為解決目前自體骨髓間充干細(xì)胞治療缺血性心臟病效果不佳的難題提供了可能的解決方案，進(jìn)而解決目前藥物治療、介入治療及手術(shù)治療難以改善缺血性心臟病患者遠(yuǎn)期心功能對臨床醫(yī)生造成的困擾，從而改善廣大缺血性心臟病患者的遠(yuǎn)期生存質(zhì)量和存活率。