樊志剛 劉芳
[摘 要] 目的:研究腫瘤壞死因子(TNF-α)預(yù)處理的臍血間充質(zhì)干細(xì)胞(HUMSC)血管細(xì)胞黏附分子-1的表達(dá)及其對(duì)心肌梗死大鼠心功能的影響。方法:實(shí)驗(yàn)組取第3代HUMSC用TNF-α(10 ng/mL)預(yù)處理24 h后,遷移黏附實(shí)驗(yàn)檢測其體外遷移黏附能力,Western blot檢測VCAM-1蛋白表達(dá);對(duì)照組不用TNF-α處理。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)分為實(shí)驗(yàn)組(注射TNF-α預(yù)處理HUMSC)和對(duì)照組(注射HUMSC),取第3代HUMSC移植于心肌梗死大鼠的心肌內(nèi)3周后,二維超聲心動(dòng)圖檢測大鼠左心室心功能。結(jié)果:與對(duì)照組比較,實(shí)驗(yàn)組體外遷移黏附力明顯增強(qiáng)(P<0.05);黏附分子VCAM-1的蛋白表達(dá)水平顯著升高(P<0.05);左心室射血分?jǐn)?shù)明顯提高(P<0.05)。結(jié)論:移植TNF-α預(yù)處理的HUMSC更能明顯改善大鼠心功能,其機(jī)制可能與TNF-α提高HUMSC黏附分子VCAM-1的蛋白表達(dá)水平相關(guān)。
[關(guān)鍵詞] 腫瘤壞死因子-α;臍血間充質(zhì)干細(xì)胞;黏附分子
中圖分類號(hào): R332 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A 文章編號(hào):2095-5200(2015)04-004-05
每年全球約有1700萬人死于心血管病,其中占總數(shù)1/2患者死于急性心肌梗死(AMI)[1]。過去30年中,MI病死率(30 d內(nèi))雖然已降至10% ,但年病死率仍為20% 左右[2]。目前,MI治療方法以藥物、介入和外科手術(shù)為主,這些方法可解除血管阻塞,緩解心室重構(gòu),延緩和改善心功能惡化及心律失常發(fā)生,但無法逆轉(zhuǎn)壞死心肌,使已梗死心肌細(xì)胞再生。而干細(xì)胞治療給人們帶來了新希望。
MSC具有多向分化潛能、支持和促進(jìn)造血干細(xì)胞植入、調(diào)節(jié)免疫以及分離、培養(yǎng)時(shí)操作簡便等特點(diǎn)[3]。臍血間充質(zhì)干細(xì)胞(Human Umbilical cord blood mesenchymal stem cells,HUMSC)是從臍帶組織中分離出來,較祖細(xì)胞更原始,有更強(qiáng)增殖分化能力[4];免疫原性較為幼稚,不易觸發(fā)免疫反應(yīng)或引起移植物抗宿主??;較骨髓MSC有更大應(yīng)用潛能。
循環(huán)血液中干細(xì)胞歸巢到缺血組織中是組織修復(fù)第一步,干細(xì)胞歸巢第一步就是黏附于心臟微血管內(nèi)皮細(xì)胞[5],因此提高移植干細(xì)胞向受損組織遷移及定植對(duì)提高干細(xì)胞治療效果具有重要價(jià)值。黏附分子廣泛存在于細(xì)胞表面及細(xì)胞外基質(zhì)中,通過與受體結(jié)合,介導(dǎo)細(xì)胞與細(xì)胞或細(xì)胞與細(xì)胞外基質(zhì)接觸,并參與細(xì)胞活化與遷移[6]。在炎癥、缺血性損傷及傷口愈合等過程中發(fā)揮重要作用。生理狀態(tài)下充質(zhì)干細(xì)胞少量表達(dá)血管細(xì)胞黏附分子-1(vascular cell adhesion molecule-1,VCAM-1),而明顯表達(dá)細(xì)胞間黏附分子(intercellular adhesion molecule-1,ICAM)[7]。Segers等[8] 研究發(fā)現(xiàn),VCAM-1對(duì)BMMSCs黏附于心肌微血管內(nèi)皮細(xì)胞具有重要作用,在加入VCAM-1抗體后可完全消除由腫瘤壞死因子 (tumor necrosisfactor,TNF-α)預(yù)處理增強(qiáng)MSC對(duì)內(nèi)皮細(xì)胞黏附性,而加入ICAM-1抗體則MSC對(duì)內(nèi)皮細(xì)胞黏附能力卻沒有明顯變化。所以本研究用采用TNF-α預(yù)處理HUMSC,通過遷移黏附能力、VCAM-1表達(dá)和左心室功能變化等檢測指標(biāo),探討其對(duì)心肌梗死大鼠治療作用。
1 材料與方法
1.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物
雄性SD大鼠20只,清潔級(jí),220~250 g用于心肌梗死造模,購自河南省實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心,實(shí)驗(yàn)中對(duì)動(dòng)物處置符合動(dòng)物倫理學(xué)要求。
1.2 主要試劑和儀器
L-DMEM、胎牛血清(fetalbovine serum,F(xiàn)BS)購自美國Hyclone公司;0.25%胰酶、SDS-PAGE凝膠試劑盒購自上海碧云天生物技術(shù)有限公司;TNF-α購自美國Peprotech公司;PVDF膜購自美國Sigma公司;VCAM-1一抗購自美國Bioworld公司;β-actin、二抗購自北京中杉金橋生物技術(shù)有限公司;倒置顯微鏡Olympus BX41購自日本Olympus公司;二維多普勒超聲儀購自美國Phillips公司。
1.3 臍血間充質(zhì)干細(xì)胞分離和培養(yǎng)
臍血來自于鄭州市婦幼保健醫(yī)院產(chǎn)婦志愿捐獻(xiàn)足月妊娠順產(chǎn)嬰兒,參照文獻(xiàn)[9]采用密度梯度離心法獲取HUMSC,將分離細(xì)胞以5×106/mL接種于含體積分?jǐn)?shù)為20%胎牛血清DMEM/F12培養(yǎng)液中培養(yǎng)。取第3代細(xì)胞用于后續(xù)實(shí)驗(yàn)。
1.4 細(xì)胞鑒定
將第3代HUMSC調(diào)整為1×106 /L 細(xì)胞懸液,用流式細(xì)胞儀進(jìn)行細(xì)胞表面標(biāo)志測定。細(xì)胞分別與鼠抗人FITC-CD90、PE-CD86、FlTC-CD45,PE-CD19、FITC-CD105、PE-HLA-DR、FITC-HLA-ABC和PE-CD34抗體反應(yīng),在4℃暗室中放置30min。以鼠抗人PE/FITC-IgG1為平行對(duì)照。數(shù)據(jù)用Cell Quest軟件處理。
1.5 體外遷移實(shí)驗(yàn)
將第3代HUMSC濃度調(diào)整為5×106/mL,取100 μL細(xì)胞懸液接種于8 μm孔徑24孔transwell小室上層,下層加入500μL含2%FBSL-DMEM培養(yǎng)基,實(shí)驗(yàn)組下層培養(yǎng)液中加入TNF-α使得其終濃度為10 ng/mL,對(duì)照組加入等體積PBS,置于細(xì)胞培養(yǎng)箱中繼續(xù)培養(yǎng)。24 h后取出小室,用熒光倒置顯微鏡下觀察并隨即選取6個(gè)視野拍照后計(jì)數(shù)遷移至膜下表面細(xì)胞數(shù)目。
1.6 體外黏附實(shí)驗(yàn)
將第3代HUMSC長至80%融合時(shí),實(shí)驗(yàn)組加入TNF-α(10 ng/mL)處理,培養(yǎng)24 h后,調(diào)整細(xì)胞濃度為1×106/mL,取1 mL細(xì)胞懸液經(jīng)1200 r/min離心3min后重懸于250μLL-DMED中,然后接種于膠原包被24孔板,靜置15 min后,用PBS洗兩遍,去除未貼壁干細(xì)胞。顯微鏡下隨機(jī)選取6個(gè)視野拍照后計(jì)數(shù)。
1.7 Western blot檢測黏附分子蛋白表達(dá)
實(shí)驗(yàn)組加入TNF-α(10 ng/mL)處理,培養(yǎng)24 h后,調(diào)整細(xì)胞濃度為1×106/mL,加入上樣緩沖液后100℃水浴變性5 min,10SDS-PAGE電泳,轉(zhuǎn)移至PVDF膜上。封閉液封閉2 h,加一抗孵育12h,HRP標(biāo)記二抗孵育2 h。洗膜后將增強(qiáng)化學(xué)發(fā)光液(ECL)涂于PVDF膜上,曝光并采集圖像。Ge1-Pro analyzer 4軟件分析蛋白條帶,以β-actin表達(dá)量作為參照。
1.8 大鼠心肌梗死模型制備和細(xì)胞移植
麻醉大鼠后,接心電監(jiān)護(hù)、氣管插管并接上小動(dòng)物呼吸肌,于心前區(qū)肋間隙進(jìn)入胸腔并刺破心包,在與左心耳交界處下方0.2cm處縫扎左前降支動(dòng)脈,可見心電監(jiān)護(hù)ST段顯著抬高。術(shù)后關(guān)胸常規(guī)肌注30萬U青霉素,心肌梗死模型復(fù)制成功后1周,大鼠隨機(jī)分為對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組各10只。對(duì)照組大鼠梗死局部心肌內(nèi)注射HUMSC100μL(1×105個(gè)),實(shí)驗(yàn)組大鼠梗死局部心肌內(nèi)注射第3代TNF-α預(yù)處理HUMSC100μL(1×105個(gè)),所有動(dòng)物隨后關(guān)胸并給予抗生素處理。
1.9 超聲心動(dòng)圖檢測大鼠心功能
移植后3周,大鼠麻醉后固定于鼠板上,二維多普勒超聲儀檢測大鼠左心室舒張末內(nèi)徑(left ventricular end-diastolic dimension,LVEd)、左心室收縮末內(nèi)徑(left ventricular end- systolic dimension,LVDs),按照公式:LVEF=[( LVDd)3-( LVDs)3]/ ( LVDd)3×100%計(jì)算射血分?jǐn)?shù)(left ventricular ejection fraction,LVEF)。
1.10 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理
采用GrahPad Prism 5.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析,數(shù)據(jù)以x±s表示,兩組間比較用t檢驗(yàn),a=0.05。
2 結(jié)果
2.1 臍血間充質(zhì)干細(xì)胞分離培養(yǎng)
倒置顯微鏡下可見,培養(yǎng)初期胞體小且呈圓形(圖1A),2d以后逐漸變?yōu)闄E圓、胞體變大(圖1B),7d(第3代)后向兩級(jí)伸出凸起為長梭形(圖1C)。
2.2 細(xì)胞檢測結(jié)果
流式細(xì)胞儀檢測結(jié)果顯示CD34、CD45陽性率不足10%,提示大部分人臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞不是造血干細(xì)胞。CD19和CD86陽性率少于10%,CD90、CD105陽性率高于70%,主要組織相容性復(fù)合體HLA-ABC陽性率為90% 以上,HLA-DR陽性率低于5%,結(jié)果提示人臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞和間充質(zhì)干細(xì)胞細(xì)胞表型相似。
2.3 體外遷移能力
結(jié)果表明與TNF-α共培養(yǎng)24h后,TNF-α處理組從小室表面遷移到小室下表面細(xì)胞數(shù)目(26.4±2.8)明顯多于PBS組(6.9±1.7),差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。說明TNF-α可以增強(qiáng)干細(xì)胞體外遷移能力。(見圖2a/b)
2.4 體外黏附能力
結(jié)果表明與TNF-α共培養(yǎng)24h后,TNF-α處理組黏附于培養(yǎng)板細(xì)胞數(shù)目(41.2±3.6)明顯高于PBS組(7.8±1.3),差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。說明TNF-α可以顯著增強(qiáng)干細(xì)胞黏附能力。(見圖3a/b)
2.5 黏附分子VCAM-1表達(dá)
用Western blot法檢測轉(zhuǎn)移至膜上蛋白含量,結(jié)果表明,PBS組VCAM-1表達(dá)較低,TNF-α處理組能顯著誘導(dǎo)VCAM-1蛋白合成,約為對(duì)照組3倍,兩組間差異具有統(tǒng)計(jì)意義(見圖4)。
2.6 TNF-α預(yù)處理HUMSC對(duì)大鼠心功能影響
移植后3周,對(duì)照組(HUMSC)有2只大鼠死亡,實(shí)驗(yàn)組(TNF-α預(yù)處理HUMSC)有1只大鼠死亡。LVDd、LVDs、LVEF結(jié)果見表1,多普勒超聲心動(dòng)圖結(jié)果顯示,實(shí)驗(yàn)組LVEF明顯高于對(duì)照組(P<0.05)。說明經(jīng)TNF-α預(yù)處理HUMSC移植可以明顯改善心功能。
3 討論
MSC具有較強(qiáng)擴(kuò)增能力,可分化成心肌樣細(xì)胞和有助于血管形成血管平滑肌細(xì)胞以及血管內(nèi)皮細(xì)胞,能參與心肌缺血引起心肌重構(gòu)和血管再生,達(dá)到替代損傷心肌細(xì)胞,改善心功能目[10]。由于MSC缺少主要組織相容性復(fù)合體II ,可參與免疫調(diào)控但具免疫豁免性,增強(qiáng)了異體細(xì)胞移植安全性,因此最有可能發(fā)展成標(biāo)準(zhǔn)化治療,從而滿足大部分人治療需求[11]。很多研究者認(rèn)為,干細(xì)胞可能是通過旁分泌而不是替代梗死心肌來發(fā)揮改善心功能作用[12-13],目前已發(fā)現(xiàn)多種干細(xì)胞因子以旁分泌產(chǎn)生作用[14-15]。
臍血中含有豐富間充質(zhì)干細(xì)胞[16],是近年發(fā)現(xiàn)具有與骨髓干細(xì)胞細(xì)胞(BMMSC)相同多向分化潛能原始祖細(xì)胞,和其他來源干細(xì)胞相比,臍血來源廣泛,臍血中淋巴細(xì)胞免疫功能不夠成熟,免疫原性較弱,移植物抗宿主病發(fā)生率較低[17-18];HUMSC易于分離[19-20]為一種新可靠干細(xì)胞來源,在適當(dāng)條件下具有向神經(jīng)細(xì)胞、成骨細(xì)胞、心肌細(xì)胞等組織細(xì)胞多項(xiàng)分化潛能[21]。
目前,已有多種干細(xì)胞應(yīng)用于MI臨床治療研究[22-23],但HUMSC移植治療MI還比較少。干細(xì)胞移植治療主要困難之一是移植干細(xì)胞只有很少一部分能存活和植入心肌中。所以如何提高干細(xì)胞移植存活率成為研究者首當(dāng)其沖問題。Luo 等[24-25]研究發(fā)現(xiàn)在梗死區(qū)邊緣區(qū)注入高表達(dá)血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)干細(xì)胞,可以減少梗死區(qū)面積,增加梗死區(qū)周圍心肌血管生成,促進(jìn)冠脈結(jié)扎實(shí)驗(yàn)中心臟功能恢復(fù)。Ries 等[26]研究發(fā)現(xiàn)提高BMMSC基質(zhì)金屬酶表達(dá),可以促進(jìn)細(xì)胞趨化和遷移。
心肌梗死后會(huì)釋放大量炎癥介質(zhì),這些介質(zhì)一方面可以促進(jìn)組織修復(fù)和增強(qiáng)心肌對(duì)缺血適應(yīng),但另一方面這些介質(zhì)也可以促進(jìn)心肌細(xì)胞凋亡和加快基質(zhì)降解進(jìn)而抑制和減低心功能[27-29]。以前研究重視干細(xì)胞移植后如何降低炎癥因子表達(dá),但新近有研究[30-32]證實(shí)用炎癥因子處理過干細(xì)胞移植能明顯改善心功能,促進(jìn)心肌功能恢復(fù)。Herrmann等[33]研究發(fā)現(xiàn),用TGF-a預(yù)處理24h BMMSC移植可以增加VEGF表達(dá),進(jìn)一步保護(hù)大鼠心肌和減少壞死區(qū)域面積。
本研究之所以選擇TNF-α濃度為10 ng/mL是因?yàn)檫@一濃度刺激可以激活干細(xì)胞旁分泌而不改變其表面活性物質(zhì)[34]。有研究[35]顯示移植MSC可以促進(jìn)梗死區(qū)炎性因子如TNF-α、白介素-6和轉(zhuǎn)化生長因子等釋放,這些因子又對(duì)細(xì)胞旁分泌起重要作用。因此研究移植后干細(xì)胞對(duì)炎性環(huán)境應(yīng)答對(duì)提高其存活率和改善心功能有更重要價(jià)值。
參 考 文 獻(xiàn)
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