于寰 董庭妍 康健
近年來(lái),研究發(fā)現(xiàn)多種間充質(zhì)干細(xì)胞(mesenchymal stem cells,MSCs)可以增強(qiáng)牙周再生和骨再生[1-5]。MSCs具有高度的自我更新和多向分化潛能,這種多向分化能力受多種細(xì)胞因子復(fù)雜調(diào)控。研究表明炎癥環(huán)境有可能通過(guò)改變干細(xì)胞微環(huán)境的平衡及干細(xì)胞內(nèi)源性信號(hào)的調(diào)控作用從而抑制干細(xì)胞的再生能力[6-8],這必然會(huì)影響組織工程學(xué)應(yīng)用于牙周再生和骨再生的效果。
有證據(jù)表明高熱量飲食攝入會(huì)導(dǎo)致超重或肥胖,使機(jī)體處于慢性低度炎癥狀態(tài)(low-grade inflammatory states),導(dǎo)致代謝綜合征或其他慢性疾病的發(fā)生[9]。肥胖對(duì)在組織器官缺損修復(fù)中起重要作用的干細(xì)胞可能存在重大影響[10]。但肥胖對(duì)不同來(lái)源的干細(xì)胞究竟存在何種影響,其內(nèi)在機(jī)制如何,該領(lǐng)域仍缺乏研究。牙周炎作為一種感染性炎癥性疾病,也會(huì)對(duì)干細(xì)胞的增殖及分化能力產(chǎn)生影響。MSCs最終將植入存在牙周炎癥的牙周缺損區(qū),這也可能造成干細(xì)胞治療再生效果不佳。本研究選取大鼠骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(bone marrow stem cells,BMSCs)及牙髓間充質(zhì)干細(xì)胞(dental pulp stem cells,DPSCs),檢測(cè)肥胖及牙周炎狀態(tài)下干細(xì)胞增殖、礦化及成骨能力的變化。
DMEM培養(yǎng)基、胎牛血清、胰蛋白酶、I型膠原酶、瓊脂糖凝膠(GIBCO,美國(guó));Dispase(Thermo Forma,美國(guó));地塞米松、β-甘油磷酸鈉、維生素C、茜素紅、MTT、DEPC(Sigma,美國(guó));ALP檢測(cè)試劑盒(上海碧云天生物);青霉素、鏈霉素(Genview,美國(guó));肝素鈉、Percoll分離液(北京Solarbio);GAPDH一抗(杭州三鷹);ON、OCN、OPN二抗(Abcam,英國(guó));引物(蘇州金唯智);EB(Ethidium Bromide)(北京鼎國(guó));TrizolReagent(Invitrogen,美國(guó));M-mlV逆轉(zhuǎn)錄酶、RNA酶抑制劑、dNTP(10 mmol/L)、SYBR Premix Ex Taq試劑盒(Takara,日本);Bio-Oss Collagen(Geistlich,瑞士);DFDBA(山西奧瑞)。
20 只4~5 周齡體重約200 g的雄性SD大鼠隨機(jī)分為牙周健康正常體重組(C組)、牙周健康肥胖組(OB組)、牙周炎正常體重組(PD組)、肥胖牙周炎組(PD+OB組)。
正常體重組大鼠(C組及PD組)飼喂基礎(chǔ)飼料,肥胖組(OB組及PD+OB組)大鼠飼喂高脂飼料(基礎(chǔ)飼料60%,添加10%蔗糖、20%豬油、10%蛋黃粉)。每周監(jiān)測(cè)大鼠體重。高脂飼養(yǎng)組體重大于對(duì)照組20%以上則建模成功。
實(shí)驗(yàn)開始第 7 周初,牙周炎組(PD組及PD+OB組)用磨砂紙?zhí)幚砗蟮?0.2 mm 正畸鋼絲環(huán)扎大鼠雙側(cè)上頜第一磨牙牙頸部。抽取 1 mL 1.5×109CFU/mL 的P.gingivalis菌懸液在雙側(cè)上頜第一磨牙的齦溝內(nèi)接種細(xì)菌。每 48 h接種1 次,共接種3 次。以20 mg/只/d的劑量喂飼阿莫西林3 d。從大鼠上頜第一磨牙結(jié)扎鋼絲完成后起計(jì)算,建模時(shí)間共計(jì)4 周。
10 周后處死實(shí)驗(yàn)動(dòng)物,方塊截取包括上頜骨研究區(qū)域第一磨牙在內(nèi)的骨組織塊完整標(biāo)本。生理鹽水沖洗,4%多聚甲醛固定,組織塊逐級(jí)酒精脫水,二次包埋法石蠟包埋。方向沿牙體長(zhǎng)軸頰舌向切成厚度為4 μm的組織切片。HE染色,光鏡下觀察牙周組織變化。觀察牙周炎組組織學(xué)存在附著喪失、牙槽骨吸收及炎癥細(xì)胞浸潤(rùn)認(rèn)定為牙周炎模型建立成功。
1.3.1 大鼠DPSCs 取大鼠雙側(cè)上頜第一磨牙無(wú)菌牙髓,0.3% I型膠原酶和0.4% dispase酶(1∶1)消化1 h,加入含雙抗的20%胎牛血清DMEM培養(yǎng)液,以1×104~1×105/cm2密度接種培養(yǎng)。于37 ℃,體積分?jǐn)?shù)為0.05的CO2飽和濕度的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。每3 d倒置顯微鏡下觀察細(xì)胞形態(tài)及生長(zhǎng)情況并換液。至細(xì)胞達(dá)到80%匯合率時(shí),換用成骨向定向誘導(dǎo)培養(yǎng)液培養(yǎng)。成骨向定向誘導(dǎo)培養(yǎng)液配制:10%胎牛血清,1%青霉素及2.5 μg/mL鏈霉素的DMEM培養(yǎng)基,加入地塞米松(0.1 μmol/L)、β-甘油磷酸鈉(10 mmol/L)、維生素C(50 mg/L)。
1.3.2 大鼠BMSCs 取大鼠雙側(cè)坐骨棘處骨髓液2 mL,吹打5 min。 1 000 r/min離心10 min制成細(xì)胞懸液,加入至2 倍體積1.073 g/mL的Percoll分離液上層,2 000 r/min離心25 min,收集中有核細(xì)胞層,加入含雙抗的20%胎牛血清DMEM培養(yǎng)液,以1×104/cm2密度接種培養(yǎng)。于37 ℃,體積分?jǐn)?shù)為0.05的CO2飽和濕度的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。每2 d倒置顯微鏡下觀察細(xì)胞形態(tài)及生長(zhǎng)情況并換液。至細(xì)胞達(dá)到80%匯合率時(shí),換用成骨向定向誘導(dǎo)培養(yǎng)液培養(yǎng)。
1.3.3 干細(xì)胞鑒定 對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的DPSCs和BMSCs使用Vimentin及CK-14標(biāo)記,熒光染色。
三聯(lián)溶解液配制:SDS 10 g,異丁醇5 mL,10 mmol/L 氯化氫 0.1 mL 用雙蒸水溶解配成100 mL溶液。于成骨定向培養(yǎng)的1、 3、 5、 7、 9 d取兩種細(xì)胞裂解后加入10 μL 5 mg/mL MTT溶液,4 h后再加入100 μL溶解液,繼續(xù)孵育4~6 h,鏡下觀察結(jié)晶全部溶解后在酶聯(lián)免疫檢測(cè)儀測(cè)量A570 nm。
于成骨定向培養(yǎng)的7、 14、 21 d取2 種細(xì)胞裂解后按ALP檢測(cè)試劑盒說(shuō)明進(jìn)行加樣操作。用酶聯(lián)免疫檢測(cè)儀(BIO-RAD,美國(guó))測(cè)量檢測(cè)A405 nm,計(jì)算ALP。
1.44 g茜素紅溶解至90 mL的超純水,調(diào)整pH值為4.2,定容至100 mL,配制成40 mmol/L的茜素紅溶液。于成骨定向培養(yǎng)的7、 14、 21 d取兩種細(xì)胞裂解后,PBS清洗,70%冰乙醇固定1 h。室溫下加入1 mL 40 mmol/L茜素紅溶液避光染色10 min。鏡下觀察紅色礦化結(jié)節(jié)著染情況。
于成骨定向培養(yǎng)的7、 14、 21 d取2 種細(xì)胞裂解,提取胞質(zhì)蛋白及核蛋白。與SDS-PAGE緩沖液混勻,煮沸變性5 min,冰浴5 min。順序加樣后電泳。濕法將蛋白轉(zhuǎn)至硝酸纖維素膜,350 mA轉(zhuǎn)膜2 h后封閉。孵育一抗(Runx2,OPN,OCN)和二抗(IgG),β-肌動(dòng)蛋白(β-actin)作為上樣量對(duì)照?;瘜W(xué)發(fā)光法發(fā)光并收集條帶,用LabWorksTM凝膠成像及分析系統(tǒng)(UVP,美國(guó))分析各組條帶亮度值。
于成骨定向培養(yǎng)的7、 14、 21 d取2 種細(xì)胞裂解,提取總RNA。在逆轉(zhuǎn)錄試劑盒中根據(jù)說(shuō)明加入1 μg總RNA及其他試劑合成cDNA。按試劑盒說(shuō)明書配置反應(yīng)液。使用Real-time PCR儀器(iQ5,Applied Biosystems,美國(guó))進(jìn)行實(shí)時(shí)定量PCR。進(jìn)行成骨標(biāo)志蛋白R(shí)unx2、OPN、OCN mRNA水平檢測(cè)。引物序列見表1。
表1 Real-time PCR引物序列
10 周后,2 只大鼠(分別為OB組和PD組)死亡。剩余高脂飼養(yǎng)組與對(duì)照組大鼠各9 只。其中,高脂飼養(yǎng)組(OB組及PD+OB組)大鼠體重為(612.22±40.11) g,正常飼養(yǎng)組(C組及PD組)大鼠體重為(480.44±56.62) g(P<0.01)。高脂飼養(yǎng)組大鼠體重均大于正常飼養(yǎng)組大鼠平均體重20%以上。
組織學(xué)HE染色結(jié)果顯示牙周炎組(PD組及PD+OB組)存在炎癥細(xì)胞浸潤(rùn),結(jié)合上皮根向移位及牙槽嵴吸收。牙周健康組(C組及OB組)可能存在炎癥細(xì)胞浸潤(rùn),但無(wú)附著喪失及牙槽嵴吸收。具體形態(tài)如下:C組:結(jié)合上皮緊密附著于牙頸部釉牙骨質(zhì)界處,牙周韌帶纖維排列有序、整齊,牙槽嵴頂無(wú)吸收(圖1)。PD組:結(jié)合上皮與牙體分離并向根方增殖加深牙周袋,固有層可見炎細(xì)胞浸潤(rùn),牙周韌帶纖維排列紊亂,牙槽嵴頂高度降低(圖1)。OB組:結(jié)合上皮與牙體分離,未向根方增殖,牙槽嵴頂無(wú)明顯吸收見圖1。PD+OB組:結(jié)合上皮與牙體分離并向根方增殖,固有層有炎癥細(xì)胞浸潤(rùn),牙槽骨高度降低(圖1)。
圖1 各組大鼠牙周組織(HE,×100)
干細(xì)胞鑒定結(jié)果如圖2。倒置顯微鏡下細(xì)胞生長(zhǎng)情況如圖3,各組DPSCs多數(shù)細(xì)胞為長(zhǎng)梭形成纖維狀細(xì)胞,少數(shù)為多角形或不規(guī)則形。C組DPSCs的細(xì)胞形態(tài)呈多角形,細(xì)胞間無(wú)明顯粘連,細(xì)胞匯合度較低,PD組DPSCs細(xì)胞匯合度高于OB組,PD+OB組DPSCs的細(xì)胞匯合度較其他3 組增加。
圖2 大鼠DPSCs、 BMSCs干細(xì)胞鑒定(×200)
各組BMSCs傳至第3 代BMSCs純度較高,呈漩渦狀生長(zhǎng)。C組BMSCs細(xì)胞形態(tài)呈星網(wǎng)狀,細(xì)胞間無(wú)明顯粘連,細(xì)胞匯合度較低,OB組BMSCs的細(xì)胞匯合度高于PB組,PD+OB組BMSCs細(xì)胞匯合度較其他3 組增加。
細(xì)胞增殖活性檢測(cè)(MTT法)結(jié)果顯示:各組干細(xì)胞生長(zhǎng)曲線均成“S”型(圖4)。第3 天開始,各組干細(xì)胞增殖加快,處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期,第7 天達(dá)到頂峰。到第9 天,兩種干細(xì)胞C組細(xì)胞增殖速度平緩,增殖進(jìn)入平穩(wěn)期,其余3 組均出現(xiàn)細(xì)胞增殖活性的減低。對(duì)于大鼠DPSCs,C組、OB組、PD組、PD+OB組增殖速度依次增加(圖4A)。第3 天PD+OB組DPSCs細(xì)胞增殖活性(A值)高于其他3 組(P<0.05),而第5、 7、 9 天顯著高于其他3 組(P<0.01)。且第5、 7、 9 天的DPSCs細(xì)胞增殖活性顯著高于OB組(P<0.01)。對(duì)于鼠BMSCs,C組、PD組、OB組、PD+OB組增殖速度依次增加(圖4B)。第5、 7 天PD+OB組細(xì)胞增殖活性(A值)顯著高于其他3 組(P<0.01),且OB組的BMSCs細(xì)胞增殖活性高于PD組(P<0.05)。
堿性磷酸酶(ALP)相對(duì)活性檢測(cè)結(jié)果顯示:隨著誘導(dǎo)時(shí)間的增加,各組ALP相對(duì)活性均顯著性增加,但均低于C組ALP相對(duì)活性。鼠DPSCs各組ALP相對(duì)活性值由高到低為C組、OB組、PD組、PD+OB組;鼠BMSCs各組ALP相對(duì)活性值由高到低為C組、PD組、OB組、PD+OB組(圖5)。在第14、 21 天,PD+OB組的兩種干細(xì)胞ALP值均顯著低于其他3 組(P<0.01)(圖5A~5B)。此外,PD組DPSCs的細(xì)胞的ALP值顯著低于OB組(P<0.01)(圖5A),OB組BMSCs的細(xì)胞ALP值顯著低于PD組(P<0.01)(圖5B)。
圖5 大鼠DPSCs、BMSCs骨向誘導(dǎo)后ALP活性檢測(cè)結(jié)果
茜素紅染色結(jié)果顯示:倒置顯微鏡可見誘導(dǎo)液誘導(dǎo)7 d時(shí)進(jìn)行茜素紅染色,發(fā)現(xiàn)各組細(xì)胞沒有明顯的礦化結(jié)節(jié)形成;誘導(dǎo)14 d時(shí)進(jìn)行茜素紅染色,發(fā)現(xiàn)各組細(xì)胞均有明顯的礦化結(jié)節(jié)形成,差異不顯著;誘導(dǎo)至21 d時(shí),礦化結(jié)節(jié)顯著增加。對(duì)于DPSCs,礦化結(jié)節(jié)明顯程度由高至低依次為C組、OB組、PD組、PD+OB組(圖6A)。對(duì)于BMSCs,礦化結(jié)節(jié)明顯程度由高至低依次為C組、PD組、OB組、PD+OB組(圖6B)。
圖6 大鼠DPSCs、BMSCs骨向誘導(dǎo)后茜素紅染色結(jié)果(×200)
體外誘導(dǎo)成骨向分化蛋白檢測(cè)結(jié)果顯示:兩種干細(xì)胞各組Runx2、 OPN、 OCN的蛋白及mRNA隨著誘導(dǎo)時(shí)間的增加,蛋白相對(duì)表達(dá)量逐漸升高,各干細(xì)胞組內(nèi)相比Runx2的蛋白及mRNA相對(duì)表達(dá)量均最高,其次為OCN,最低的為OPN。對(duì)于DPSCs,3 種蛋白及mRNA相對(duì)表達(dá)量由高到低依次為C組、OB組、PD組、PD+OB組。在骨向誘導(dǎo)培養(yǎng)的第7、 14、 21 天,PD+OB組的3 種蛋白及mRNA相對(duì)表達(dá)量均顯著低于其他3 組(P<0.01)。第7 天OB組BMSCs的細(xì)胞蛋白及mRNA相對(duì)表達(dá)量顯著高于PD組(P<0.01)。對(duì)于BMSCs,3 種蛋白及mRNA相對(duì)表達(dá)量由高到低依次為C組、PD組、OB組、PD+OB組。在骨向誘導(dǎo)培養(yǎng)的第7、 14、 21 天,PD+OB組的3 種蛋白及mRNA相對(duì)表達(dá)量均顯著低于其他3 組(P<0.01)(圖7)。 第7天PD組BMSCs的細(xì)胞蛋白及mRNA的相對(duì)表達(dá)量顯著高于OB組(P<0.05)。
圖7 大鼠DPSCs、 BMSCs骨向誘導(dǎo)后Runx2、 OCN、 OPN相對(duì)蛋白及mRNA表達(dá)水平
牙周治療的終極目標(biāo)是達(dá)到牙周再生。美國(guó)牙周病學(xué)學(xué)會(huì)(AAP)將牙周再生定義為在病損的牙根表面形成新的牙骨質(zhì)、牙槽骨和有功能的牙周韌帶[11]?;诟杉?xì)胞的牙周組織工程學(xué)和骨組織工程學(xué)可以增強(qiáng)牙周再生和骨再生。MSCs來(lái)源廣泛,具有較強(qiáng)的增殖能力和多向分化潛能,是牙周組織工程學(xué)的理想種子細(xì)胞。其中,BMSCs具有分化成牙周組織細(xì)胞的能力,被認(rèn)為是一種最適宜牙周再生的細(xì)胞群[11]。DPSCs是人類發(fā)現(xiàn)的第一種牙源性干細(xì)胞,具有較強(qiáng)的增殖能力和成骨分化潛力,并具有旁分泌和免疫調(diào)節(jié)能力,是牙周再生的另一種細(xì)胞來(lái)源[3-5]。這兩種MSCs均被證實(shí)可以改善牙周再生治療的效果[2-3,12-13]。
目前的研究多集中在關(guān)注正常培養(yǎng)條件下MSCs植入牙周缺損部位的再生效果。然而,基于干細(xì)胞的牙周再生利用的是MSCs高度的自我更新和多向分化潛能。MSCs所處微環(huán)境中的物理、化學(xué)、非編碼區(qū)RNA、代謝以及遺傳基因?qū)⒐餐瑓⑴c決定MSCs的分化方向[14]。因此關(guān)注炎癥微環(huán)境下MSCs的性能改變十分重要。炎癥微環(huán)境對(duì)干細(xì)胞增殖、礦化及成骨潛能存在極大影響,合理選擇種子細(xì)胞的來(lái)源和治療對(duì)象至關(guān)重要。本研究旨在檢測(cè)BMSCs和DPSCs在肥胖和牙周炎導(dǎo)致的炎癥微環(huán)境狀態(tài)下干細(xì)胞性能的變化,從而選擇更適宜牙周組織再生的干細(xì)胞來(lái)源。
肥胖在當(dāng)今極為常見,是II型糖尿病、胰島素和多種心腦血管疾病的重要危險(xiǎn)因素,已成為全球性的健康問題。脂肪組織不僅是能量?jī)?chǔ)存庫(kù),更是內(nèi)分泌和免疫活性器官。肥胖會(huì)使機(jī)體處于慢性低度炎癥狀態(tài)。這種慢性低度炎癥主要表現(xiàn)為血清及組織中促炎因子,如IL-1β、IL-6、TNF-α表達(dá)水平升高及抗炎因子,如IL-10表達(dá)水平降低[15]。肥胖狀態(tài)下,多種免疫細(xì)胞,如T細(xì)胞、B細(xì)胞、NKT細(xì)胞、樹突狀細(xì)胞等均參與炎癥反應(yīng)。這些免疫細(xì)胞可分泌IL-1β、IL-6、TNF-α等促炎因子影響微環(huán)境。肥胖狀態(tài)下脂肪細(xì)胞還會(huì)分泌一系列的脂肪因子。其中,內(nèi)脂素、瘦素、抵抗素是促炎因子,表達(dá)水平升高;脂聯(lián)素是抗炎因子,表達(dá)水平降低[16]。多項(xiàng)流行病學(xué)及動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究表明牙周炎與肥胖間存在顯著相關(guān)性,并認(rèn)為肥胖是牙周炎癥性破壞的第二大危險(xiǎn)因素[17-18]。而牙周致病菌及其代謝產(chǎn)物也會(huì)引起全身免疫反應(yīng),影響肥胖的發(fā)生和發(fā)展[19-20]。
本研究對(duì)體外成骨誘導(dǎo)后的大鼠DPSCs及BMSCs的細(xì)胞生長(zhǎng)情況及成骨向分化情況進(jìn)行了檢測(cè)。結(jié)果發(fā)現(xiàn),對(duì)于鼠DPSCs細(xì)胞,C組、OB組、PD組、PD+OB組生長(zhǎng)速度依次增加,ALP相對(duì)活性值依次降低,茜素紅染色礦化結(jié)節(jié)數(shù)量依次減少,成骨相關(guān)蛋白及mRNA的相對(duì)表達(dá)量依次降低。對(duì)于鼠BMSCs細(xì)胞,C組、PD組、OB組、PD+OB組生長(zhǎng)速度依次增加,ALP相對(duì)活性值依次降低,茜素紅染色礦化結(jié)節(jié)數(shù)量依次減少,成骨相關(guān)蛋白及mRNA的相對(duì)表達(dá)量依次降低。這可能是由于肥胖及牙周炎狀態(tài)均會(huì)引起炎癥反應(yīng),而炎癥狀態(tài)可以促進(jìn)細(xì)胞增殖,造成細(xì)胞活性降低,并抑制干細(xì)胞的成骨能力。相比較而言,PD組的DPSCs較OB組具有較強(qiáng)的細(xì)胞增殖能力及較低的成骨活性;而OB組的BMSCs較PD組具有較強(qiáng)的細(xì)胞增殖能力及較低的成骨活性。這可能說(shuō)明牙周炎狀態(tài)相比肥胖狀態(tài)對(duì)以DPSCs為代表的牙源性干細(xì)胞的成骨能力的抑制作用較大,而肥胖狀態(tài)相比牙周炎狀態(tài)對(duì)以BMSCs為代表的非牙源性干細(xì)胞的成骨能力抑制作用較大。當(dāng)兩種炎癥狀態(tài)同時(shí)存在時(shí),對(duì)干細(xì)胞的成骨能力抑制作用最大。在此前也有研究發(fā)現(xiàn)肥胖會(huì)使小鼠的BMSCs成脂向分化增強(qiáng),成骨向細(xì)胞的募集減少且骨形成減少,表現(xiàn)為ALP染色減弱,ALP水平的降低,茜素紅染色礦化結(jié)節(jié)加少,成骨特異性基因ALP,Runx2及OCN的mRNA表達(dá)水平降低[21-22]。
綜上所述,牙周炎和肥胖均會(huì)使細(xì)胞處于炎癥微環(huán)境,造成大鼠干細(xì)胞細(xì)胞增殖加快且細(xì)胞活性及礦化能力降低,同時(shí)下調(diào)多個(gè)與成骨相關(guān)的基因及蛋白水平。牙周炎合并肥胖會(huì)加重對(duì)成骨能力的抑制作用。肥胖對(duì)大鼠骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的影響大于對(duì)牙髓間充質(zhì)干細(xì)胞的影響,而牙周炎對(duì)牙髓間充質(zhì)干細(xì)胞的影響大于對(duì)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的影響。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果為后期牙周炎的干細(xì)胞治療選取理想的種子細(xì)胞和理想的治療對(duì)象提供理論依據(jù)。然而本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果僅局限于動(dòng)物模型,未能采用臨床實(shí)驗(yàn)來(lái)直接研究肥胖和牙周炎對(duì)牙周組織和干細(xì)胞的影響,且本實(shí)驗(yàn)也尚未深入探討這種影響的具體調(diào)控機(jī)制,仍需進(jìn)一步研究。