殷佳輝,王 琪,孫宇辰,朱曉峰,喬 峰,鄒志田
(1.佳木斯大學(xué)附屬第一醫(yī)院心胸外科,黑龍江 佳木斯 154002;2.佳木斯大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院,黑龍江 佳木斯 154002;3.佳木斯傳染病醫(yī)院檢驗科,黑龍江 佳木斯 154002;4.佳木斯大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,黑龍江 佳木斯 154002)
間充質(zhì)干細(xì)胞(mesenchymal stem cells,MSCs)是一種具有自我更新能力和多向分化能力的多能干細(xì)胞[1-4]。病理狀態(tài)下,間充質(zhì)干細(xì)胞可以在炎癥介質(zhì)的刺激下,通過遷移和歸巢作用參與損傷部分的修復(fù)[5],也可以通過靜脈或局部注射路徑遷移到損傷部位,進(jìn)而發(fā)揮一系列生物效應(yīng)[6]。因MSCs表面表達(dá)低水平Ⅰ型白細(xì)胞抗原(HLA),不表達(dá)Ⅱ型主要組織相容性抗原(MHC-Ⅱ)和T細(xì)胞共刺激分子,具有低免疫原性,可為異體MSCs治療提供理論依據(jù)[7]。急性呼吸窘迫綜合征(acute respiratory distress syndrome,ARDS)是急性肺損傷(ALI)最嚴(yán)重的形式,病死率較高,目前尚無特異有效的治療措施[8],因此研究的重點仍是尋找有效的治療方法。本研究對胎牛肺間充質(zhì)干細(xì)胞(lung-derived mesenchymal stem cells,LMSCs)進(jìn)行分離培養(yǎng)及鑒定,并通過腹腔注射LPS造小鼠急性肺損傷模型,然后將LMSCs移植到急性肺損傷的小鼠體內(nèi),觀察LMSCs對急性肺損傷治療作用,為異源干細(xì)胞進(jìn)行臨床治療提供實驗理論依據(jù)。
1.1 材料來源 本實驗對象3個月齡胎牛購自中國農(nóng)科院家畜實驗基地,6周齡雄性小鼠購自北京華阜康生物有限公司。LPS購自北京索萊寶科技有限公司,α-MEM培養(yǎng)基、胎牛血清(FBS)、山羊血清、谷氨酰胺購自美國GIBCO公司;胰蛋白酶(Trypsin 1∶250)、Triton X-100IV型膠原酶、PI購自美國Sigma公司;多聚甲醛和青鏈霉素購自北京化工廠;小鼠抗牛抗體購自Abcam公司產(chǎn)品;FITC標(biāo)記兔抗小鼠二抗購自中杉金橋;RNA提取試劑盒TRI reagent、反轉(zhuǎn)錄試劑盒和extap酶購自TaKaRa公司。
1.2 方法
1.2.1 胎牛LMSCs的分離培養(yǎng) 取3月齡流產(chǎn)胎牛肺臟,在準(zhǔn)備間初步消毒后移至細(xì)胞間無菌操作臺內(nèi),連同取樣工具一同紫外照射15 min,剖開胎牛胸腔,完整取出胎牛肺臟至培養(yǎng)皿內(nèi),然后用無菌眼科鑷子、眼科剪緩慢剝離胸膜,將肺組織及支氣管用PBS反復(fù)沖洗10遍,去除血細(xì)胞等雜質(zhì),將清洗干凈的肺組織及支氣管剪成約1~3 mm2織碎塊,轉(zhuǎn)移至新養(yǎng)皿中,加入10 ml 0.2%Ⅳ型膠原酶,移至37 ℃的5% CO2培養(yǎng)箱中酶消30 min~1 h,直至組織出現(xiàn)勻漿時取出,終止消化,過篩,離心,重懸,制單細(xì)胞懸液,接種到新皿,CO2培養(yǎng)箱培養(yǎng),標(biāo)記P0代,定期換液當(dāng)細(xì)胞達(dá)90%融合時可細(xì)胞傳代,傳代比例為1傳2。
1.2.2 胎牛肺LMSCs的生長曲線 選取P5、P10及P15代LMSCs,以1.0×104個/ml密度接種到24孔板培養(yǎng),取對數(shù)生長期LMSCs用血球計數(shù)板進(jìn)行細(xì)胞計數(shù)。
1.2.3 RT-PCR鑒定 登錄NCBI網(wǎng)站,檢索獲取LMSCs基因序列并設(shè)計引物(表1),對LMSCs進(jìn)行基因?qū)W鑒定。
表1 LMSCs基因引物序列
1.2.4 免疫熒光鑒定 取P5代純化后的LMSCs,LMSCs生長達(dá)皿底70%左右時棄舊培養(yǎng)基,PBS反復(fù)沖洗,4%多聚甲醛固定20 min,0.25%Triton X-100通透10 min,PBS漂洗,10%山羊血清阻斷非特異性抗體,加一抗(鼠抗牛CD29、CD44、CD73、CD166)避光孵育1 h,PBS漂洗,滴加FITC標(biāo)記兔抗鼠IgG二抗30 min,PBS漂洗后DAPI染色1 h,加少量PBS移至共聚焦顯微鏡下觀察。
1.2.5 動物模型準(zhǔn)備 準(zhǔn)備72只雄性小鼠,隨機(jī)分為3組,標(biāo)記為對照組、損傷組(LPS組)及治療組(LPS+LMSCs組),小鼠需進(jìn)行2周適應(yīng)性飼養(yǎng)。對照組行腹腔注射生理鹽水,劑量為10 mg/kg,損傷組組行腹腔注射LPS(10 mg/kg),治療組先行腹腔注射LPS后立即給予移植LMSCs,移植密度1×106/皿。在每組中設(shè)置3個時間節(jié)點:6、24、48 h處理小鼠,每個時間節(jié)點設(shè)置3組平行組。
1.2.6 小鼠模型ELISA檢測 采血管收集小鼠血清,在2 ℃~8 ℃環(huán)境下靜置1~2 h,3000 r/min離心15 min,取上清液備ELISA檢測。
1.3 統(tǒng)計學(xué)方法 利用GraphPad Prism 8.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析并繪制圖表。計量資料以()表示,組間比較采用Student’st檢驗,多組間比較采用Oneway ANOVA with Tukey’s post hoc檢驗。當(dāng)P<0.05時表示差異有統(tǒng)計學(xué)意義。
2.1 胎牛LMSCs的形態(tài)觀察 利用倒置顯微鏡觀察,采用酶消法及貼壁法分離培養(yǎng)出的貼壁生長的LMSCs形態(tài),可見原代初期細(xì)胞生長緩慢成團(tuán)生長,P3以后細(xì)胞形態(tài)整體穩(wěn)定,立體感減弱,細(xì)胞多呈長梭形或紡錘形,核質(zhì)比大,邊緣不規(guī)則。胎牛肺間充質(zhì)干細(xì)胞至少可傳至15代以上,P15以后生長速度減緩,細(xì)胞形態(tài)出現(xiàn)扁平不規(guī)則樣生長。研究證明體外分離、培養(yǎng)的胎牛肺間充質(zhì)干細(xì)胞在適宜的培養(yǎng)條件下可以增殖并維持干細(xì)胞生長特性,見圖1。
圖1 LMSCs的形態(tài)學(xué)觀察(×40)
2.2 生長曲線測定 利用血球計數(shù)板對P5、P10、P15的LMSCs進(jìn)行細(xì)胞計數(shù),由生長曲線可見LMSCs增殖均依次經(jīng)歷潛伏期、對數(shù)生長期及平臺期。潛伏1~2 d后細(xì)胞增殖迅速,約7 d增殖減慢進(jìn)入平臺期。群體倍增時間隨代次增高而延長。考慮細(xì)胞增殖速度與細(xì)胞活力相關(guān),本實驗后期選用純化后的P5代細(xì)胞進(jìn)行LMSCs的移植治療,以期最佳治療修復(fù)作用,見圖2。
圖2 LMSCs生長曲線
2.3 RT-PCR檢測表面標(biāo)記物 經(jīng)RT-PCR鑒定,細(xì)胞表達(dá)CD29、CD44、CD73、CD166,不表達(dá)CD31,證明分離培養(yǎng)的細(xì)胞確定是LMSCs,見圖3。
圖3 LMSCsd的RT-PCR檢測
2.4 免疫熒光檢測表面標(biāo)記物 LMSCs陽性表達(dá)CD29、CD44、CD73和CD166,證明所分離培養(yǎng)的細(xì)胞為LMSCs,見圖4。
圖4 LMSCs表面標(biāo)記熒光表達(dá)(×40)
2.5 病理學(xué)切片觀察 鏡下觀察對照組小鼠肺泡壁結(jié)構(gòu)完整,肺泡間質(zhì)無滲出大小相近,存在正常的肺泡結(jié)構(gòu),無炎癥細(xì)胞出現(xiàn)在管壁及周圍,無膠原蛋白沉淀。損傷組小鼠肺組織出現(xiàn)大面積肺泡結(jié)構(gòu)受損,大多數(shù)正常肺泡結(jié)構(gòu)消失,肺泡腔改變可見變形閉塞,大量炎癥細(xì)胞浸潤,結(jié)構(gòu)變性和異常的膠原蛋白沉淀,損傷作用時間越長,損傷程度加重。治療組小鼠在LMSCs移植治療后觀察肺損傷病變面積和損傷程度較LPS組下降,可見炎癥細(xì)胞浸潤減少、間質(zhì)有所增厚及膠原少量沉積,肺切片更接近于正常肺組織肺泡形態(tài),見圖5。
圖5 小鼠急性肺損傷模型HE染色病理學(xué)改變(×40)
2.6 ELISA血清檢查結(jié)果分析 損傷組6、24、48 h血清TNF-α、IL-4、IL-6水平高于治療組和對照組,且治療組高于對照組,差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05),見圖6。
圖6 小鼠模型ELISA血清學(xué)檢查結(jié)果
目前MSCs已從骨髓、脂肪組、臍帶血織等組織中成功分離并用于相關(guān)動物實驗及臨床試驗當(dāng)中,但鮮有LMSCs用于ALI治療的研究報道,本實驗成功從3個月胎齡牛肺中分離出LMSCs,在體外環(huán)境培養(yǎng)過程中,當(dāng)細(xì)胞傳至第P5代,已經(jīng)基本獲得純化的LMSCs。低代次的間充質(zhì)干細(xì)胞生殖速度較快,隨著代次的增加,增殖速度逐漸降低。低代次的LMSCs細(xì)胞形態(tài)穩(wěn)定,多呈紡錘形或長梭形,隨著培養(yǎng)代次的逐漸升高,LMSCs的形態(tài)可見分叉樣等改變。在細(xì)胞傳至P15代以上時,生長速度逐漸放緩,高代次LMSCs生長活力下降。通過RT-PCR和免疫熒光化學(xué)鑒定手段對LMSCs進(jìn)行鑒定,LMSCs表達(dá)基因CD29、CD44、CD73、CD166,不表達(dá)CD31,證明本實驗通過體外分離培養(yǎng)技術(shù)得到的目的細(xì)胞是LMSCs,且其保持間充質(zhì)干細(xì)胞的生物學(xué)特性。
急性呼吸窘迫綜合征(ARDS)是急性肺損傷(ALI)最嚴(yán)重的形式,肺部的感染性疾病尤其是細(xì)菌性肺炎是ARDS最常見的病因。肺炎進(jìn)展過程中,TNF-α、IL-4及IL-6等因子釋放,促進(jìn)大量中性粒細(xì)胞滲出聚集在肺泡周圍,激活并釋放活性氧、蛋白酶、白三烯等介質(zhì),進(jìn)一步加重?fù)p傷。本研究結(jié)果顯示,損傷組6、24、48 h血清TNF-α、IL-4、IL-6水平高于治療組和對照組,且治療組高于對照組,差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。有研究發(fā)現(xiàn)[9],角質(zhì)細(xì)胞生長因子7(KGF-7)在內(nèi)皮細(xì)胞再生和損傷修復(fù)中具有重要作用,可減輕ALI動物模型的肺泡水腫。過表達(dá)KGF-7的MSCs改善了微血管通透性,抑制了TNF-α 等促炎因子的釋放,保護(hù)正常肺組織。IL-6可加劇肺部損傷,研究表明[10,11],其作用機(jī)制是參與中性粒細(xì)胞在肺部的聚集,而TNF-α 具有促進(jìn)IL-6分泌的作用,LMSCs通過抑制TNF-α 促炎因子的釋放,間接抑制IL-6的分泌,從而達(dá)到降低肺部炎癥反應(yīng)的效果。IL-4可刺激肺內(nèi)成纖維細(xì)胞增生,引起肺纖維化[12]。本研究中治療組小鼠IL-4水平較損傷組降低,降低了肺纖維化程度,起到了保護(hù)肺組織的作用。目前已有3項已完成的MSCs治療ARDS的臨床試驗,一項干細(xì)胞來源是異體脂肪來源的MSCs[13],其余兩項是骨髓來源的MSCs[14,15],但MSCs的最佳來源、合理劑量、給藥時間及給予方式仍無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),如何進(jìn)一步優(yōu)化MSCs的療效仍是未來研究的重點。
總之,胎牛LMSCs在體外培養(yǎng)體系中可以穩(wěn)定的保持其生物學(xué)特性,低代次LMSCs具有良好的增殖活性及分泌細(xì)胞因子的能力,可以有效降低LPS誘導(dǎo)的小鼠急性肺損傷血清中TNF-α 水平,參與調(diào)控IL-4、IL-6的分泌及免疫應(yīng)答作用,提示胎牛LMSCs對急性炎性反應(yīng)有一定治療作用。