張揚(yáng),繆毛毛,化昊天,成鋒,童培建
骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(bone marrow mesenchymal stem cells,BM-MSCs)是一類具有多向分化、多因子分泌及免疫調(diào)節(jié)等特點(diǎn)的多功能干細(xì)胞[1-2]。研究發(fā)現(xiàn),BM-MSCs 是一些細(xì)胞標(biāo)志物的異質(zhì)細(xì)胞群,不同的BM-MSCs 亞型細(xì)胞異質(zhì)性程度不同、分化能力也不同[3]。最新研究表明,CD56+BM-MSCs可進(jìn)行有效軟骨細(xì)胞分化[4-5]。此外,BM-MSCs 被證實(shí)可通過分泌外泌體修復(fù)受損軟骨組織[6-7]。
益氣調(diào)髓方(下文簡稱“YQTS”)由黃芪、杜仲、丹參、當(dāng)歸、菟絲子等藥物組成,具有益氣活血、補(bǔ)益肝腎、理氣止痛的功效[8],臨床應(yīng)用已有二十余年,療效確切。臨床研究發(fā)現(xiàn),YQTS可治療膝骨關(guān)節(jié)炎、骨質(zhì)疏松等疾病,并有效促進(jìn)骨髓水腫吸收、修復(fù)軟骨組織,但其具體機(jī)制尚不明確。本研究探究YQTS是否通過CD56+BM-MSCs來源的外泌體調(diào)控軟骨細(xì)胞活性。
12只6~8周的雌性健康SD大鼠,體重(200±10)g,SPF級,飼養(yǎng)條件為室溫22℃、恒濕、自由飲水。動(dòng)物使用許可證號(hào)為SYXK(浙)20190010,動(dòng)物實(shí)驗(yàn)在浙江省中醫(yī)藥研究院實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心完成。
YQTS由黃芪20 g、丹參20 g、杜仲15 g、當(dāng)歸20 g、菟絲子10 g、延胡索10 g組成,方中藥材均購自浙江中醫(yī)藥大學(xué)中藥飲片有限公司,將上述藥材按照1∶10料液比水煎煮提?。逯? 次、每次1 h),過濾后合并提取液,濃縮至1 g/ml 備用。DMEM 培養(yǎng)基(ELGBIO,EH80243)、0.25%的胰蛋白酶(ELGBIO,EH80042)、0.2%Ⅱ型膠原酶(Gibco,17101-015)、CD56 小鼠單克隆抗體(Cell Signaling Technology,3576S)、抗CollagenⅡ抗體(Abcam,ab188570)、抗Aggrecan抗體(Abcam,ab3778)、GAPDH單克隆抗體(Cell Signaling Technology,5174S)、抗兔IgG HRP連接抗體(Cell Signaling Technology,7074S)、間充質(zhì)干細(xì)胞成軟骨誘導(dǎo)分化試劑盒(iCell Bioscience,iCell-MSCYD-003)、CCK-8試劑盒(Solarbio,CA1210)、逆轉(zhuǎn)錄試劑盒(Yeasen,11119ES60)、熒光定量PCR試劑盒(Yeasen,10102ES08)、BCA 試劑盒(Thermo Scientific,23227)、PVDF 膜、BSA 試劑、外泌體提取試劑盒(Rengen Biosciences,EXORG10B-1)。
1.3.1 動(dòng)物分組及給藥:SD大鼠適應(yīng)性飼養(yǎng)后,隨機(jī)分為YQTS 給藥組6 只,采用濃縮后的YQTS 藥液灌胃1.62 ml/kg,每日3 次;空白給藥組6 只,采用與YQTS同等劑量的生理鹽水灌胃,每日3 次。兩組灌胃2 周后,均給予過量的戊巴比妥鈉處死,其中兩組各3只用于提取BM-MSCs進(jìn)行流式細(xì)胞檢測以及免疫熒光染色實(shí)驗(yàn),兩組各3只用于CD56+BM-MSCs外泌體的提取及后續(xù)細(xì)胞實(shí)驗(yàn)。
1.3.2 BM-MSCs提取:兩組SD大鼠處死后,分別取脛骨和股骨,剔除表面肌肉和筋膜組織后用PBS 沖洗。將骨頭從兩端剪斷,用注射器吸取適量培養(yǎng)液沖洗骨髓腔,多次沖洗致骨髓腔發(fā)白,沖洗液800 rpm/min離心4 min。重懸細(xì)胞,將細(xì)胞懸液加入預(yù)先裝有淋巴細(xì)胞分離液的離心管中,保持細(xì)胞懸液在淋巴細(xì)胞分離液上層。1600 rpm/min離心15 min,離心后吸取中間白色渾濁的骨髓基質(zhì)層,800 rpm/min 離心4 min。用含10%FBS的DMEM-F12培養(yǎng)基重懸,接種于細(xì)胞培養(yǎng)瓶中,置于37℃、5%CO2恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24~48 h,觀察貼壁情況后換液、培養(yǎng)、傳代,備用于后續(xù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)。
1.3.3 原代軟骨細(xì)胞培養(yǎng)及軟骨細(xì)胞特異性染色:SD大鼠處死后,無菌切取關(guān)節(jié)軟骨組織放入培養(yǎng)皿中,PBS 反復(fù)漂洗,將軟骨剪成大小約1 mm3的小碎塊移至離心管中。加入0.02%Ⅱ型膠原酶、DMEM-F12 培養(yǎng)基及雙抗,傾斜放置于細(xì)胞培養(yǎng)箱過夜;吹打均勻后經(jīng)150 目篩網(wǎng)過濾收集細(xì)胞,1000 rpm/min 離心8 min,吸去上清,加入10%胎牛血清的DMEM-F12培養(yǎng)基,置于細(xì)胞培養(yǎng)箱培養(yǎng)。7 d 后開始換液、傳代,備用于后續(xù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)。
BM-MSCs 加入成軟骨誘導(dǎo)分化試劑后,棄去培養(yǎng)基,直接滴加甲苯胺藍(lán)染色3~5 min。棄掉染色液,PBS沖洗2次,顯微鏡拍照,并統(tǒng)計(jì)軟骨細(xì)胞數(shù)量。
1.3.4 流式細(xì)胞術(shù)檢測BM-MSCs 的CD56 表達(dá)及細(xì)胞分選:BM-MSCs 經(jīng)胰酶消化離心,重懸后細(xì)胞濃度為1×107/ml;兩組每管各取100 μl 的細(xì)胞,使細(xì)胞數(shù)達(dá)到每管1×106;一抗孵育,空白給藥組不加抗體,YQTS給藥組加入CD56抗體充分混勻,4℃孵育30 min;用細(xì)胞清洗液洗滌2 次,離心棄上清后重懸細(xì)胞;二抗孵育,YQTS 給藥組加入熒光標(biāo)記的二抗,4℃避光孵育30 min,清洗細(xì)胞;上機(jī)檢測,分析CD56+/-細(xì)胞群占總細(xì)胞的比例。
BM-MSCs胰酶消化后細(xì)胞懸浮液,1200 rpm/min離心5 min,棄上清。用含4%FBS 的PBS 重懸;加入CD56 單克隆抗體孵育,4℃避光孵育30 min,1200 rpm/min 離心5 min,棄上清,4%FBS 的PBS 重懸。按照流式分選儀的操作步驟收集分選后的CD56+BM-MSCs 細(xì)胞,清洗細(xì)胞后接種于細(xì)胞培養(yǎng)瓶中正常培養(yǎng)。
1.3.5 免疫熒光檢測CD56表達(dá):兩組細(xì)胞分別鋪細(xì)胞爬片,每個(gè)爬片1.5×105個(gè)細(xì)胞,放入細(xì)胞培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24 h。細(xì)胞貼壁后,取出爬片,甲醇固定,PBS清洗,用免疫組織化學(xué)筆畫圈,用羊血清封閉液封閉。一抗加于細(xì)胞爬片,4℃避光孵育過夜,PBS清洗。二抗4℃避光孵育過夜,棄去二抗,PBS清洗,DAPI避光孵育,PBS清洗。熒光顯微鏡下拍照。
1.3.6 外泌體的提取與電鏡鑒定:收集CD56+BM-MSCs細(xì)胞上清液,4℃,300×g,離心10 min 后小心吸取上清,上清加入超濾管離心管,3500×g 離心30 min,吸取濃縮液,用外泌體提取試劑盒提取后,0.22 μm 過濾器過濾,BCA 試劑盒測外泌體濃度后備用。透射電鏡觀察并鑒定外泌體。
1.3.7 細(xì)胞共培養(yǎng):分別進(jìn)行下述三種共培養(yǎng)。
CD56+BM-MSCs 與BM-MSCs 共培養(yǎng):采用Transwell小室,上室接種空白給藥組的CD56+BM-MSCs或YQTS 給藥組的CD56+BM-MSCs,下室接種未經(jīng)處理的空白組BM-MSCs,置于細(xì)胞培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。待其貼壁后,將0.4 μm 孔徑Transwell 小室加入6 孔板孔中,培養(yǎng)穩(wěn)定后,在下室中加入軟骨細(xì)胞誘導(dǎo)分化試劑,分化完成后進(jìn)行甲苯胺藍(lán)染色及后續(xù)實(shí)驗(yàn)。
CD56+BM-MSCs 外泌體與軟骨細(xì)胞共培養(yǎng):原代軟骨細(xì)胞穩(wěn)定培養(yǎng)后,分別加入20 μg 的YQTS 給藥組的CD56+BM-MSCs 外泌體及空白給藥組的CD56+BM-MSCs外泌體進(jìn)行共培養(yǎng)。
CD56+BM-MSCs 外泌體與BM-MSCs 共培養(yǎng):BM-MSCs 穩(wěn)定培養(yǎng)后加入軟骨細(xì)胞誘導(dǎo)分化試劑后,加入YQTS 給藥組的CD56+BM-MSCs 外泌體20 μg(用PBS 混懸),并以等量的PBS 溶液作為PBS對照組,誘導(dǎo)分化10 d 后進(jìn)行軟骨細(xì)胞特異性染色及后續(xù)實(shí)驗(yàn)。
1.3.8 CCK-8 法檢測細(xì)胞存活率:將細(xì)胞懸液均勻接種在6 孔板中,置于培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。經(jīng)過一系列共培養(yǎng)或給藥處理后,按照CCK-8試劑盒說明書,避光加入適量CCK-8試劑,于培養(yǎng)箱中培養(yǎng)0.5 h,于450 nm處測定吸光度。細(xì)胞存活率%=(YQTS 給藥組吸光度/空白給藥組吸光度)×100%。
1.3.9 qRT-PCR 檢測mRNA 表達(dá):使用Trizol 提取細(xì)胞總RNA,按照逆轉(zhuǎn)錄試劑盒說明書進(jìn)行反轉(zhuǎn)錄。熒光定量PCR 反應(yīng)體系:2x SYBR(由杭州博日科技提供)10 μl,上下引物1 μl,cDNA(由上海生工生物提供)2 μl,ddH2O 6 μl。擴(kuò)增程序:94℃ 2 min;94℃10 s;60 ℃ 30 s共進(jìn)行40個(gè)循環(huán)。TypeⅡCollagen上引物為5'-CAGAGTGGAAGAGCGGAGAC-3',下 引物 為5'-GCCGTTCATGGTCTCTCCAA-3';Aggrecan上引物 為5'-AATCCAGAACCTTCGCTCCAA-3',下引物為5'-GGGCTCGGTCAAAGTCCAGT-3'。
1.3.10 western blot 檢測蛋白表達(dá):使用全蛋白提取試劑盒和BCA試劑盒提取并測定細(xì)胞蛋白質(zhì)濃度,100℃變性5 min。使用10%聚丙烯酰胺凝膠,上樣20 μg、120 V、2 h。電泳結(jié)束后轉(zhuǎn)移至PVDF 膜,5%BSA 室溫下封閉1 h。一抗Ⅱ型膠原(1∶1000),Aggrecan(1∶1000),4℃孵育過夜。次日進(jìn)行PBST/TBST 洗滌,加入二抗(1∶2000),室溫孵育1 h。PBST/TBST 洗滌,化學(xué)發(fā)光底物試劑檢測,實(shí)驗(yàn)結(jié)果導(dǎo)入Image Lab軟件,對蛋白灰度值進(jìn)行分析。
采用SPSS 22.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。計(jì)量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示,采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)。
兩組給藥后SD大鼠的BM-MSCs并進(jìn)行培養(yǎng)、標(biāo)記及流式檢測,結(jié)果顯示與空白給藥組比較,YQTS給藥組BM-MSCs的CD56表達(dá)明顯增加(P=0.001,圖1)。免疫熒光結(jié)果表明,與空白給藥組比較,YQTS給藥組BM-MSCs 中CD56 的熒光強(qiáng)度有明顯增強(qiáng)。上述結(jié)果均表明YQTS 促進(jìn)CD56+BM-MSCs 的比例增加(圖1)。
圖1 YQTS對CD56+ BM-MSCs的影響
Transwell 小室上室接種空白給藥組及YQTS 給藥組的CD56+BM-MSCs(接種約4000個(gè)細(xì)胞),下室接種BM-MSCs(接種約2×105個(gè)細(xì)胞),并在下室中加入誘導(dǎo)分化試劑,誘導(dǎo)軟骨分化(圖2A)。分化完成后進(jìn)行甲苯胺藍(lán)染色,染色結(jié)果表明,與誘導(dǎo)劑作用下比較,空白給藥組CD56+BM-MSCs 與YQTS 給藥組CD56+BM-MSCs 軟骨分化效果較好(P=0.002,P<0.001,圖2B、C),且與空白給藥組的CD56+BM-MSCs比較,YQTS給藥組的CD56+BM-MSCs能有效提高下室BM-MSCs的成軟骨分化能力(P=0.009,圖2B、C)。qRT-PCR結(jié)果表明,與誘導(dǎo)劑作用下比較,空白給藥組和YQTS 給藥組處理的CD56+BM-MSCsⅡ型膠原的mRNA表達(dá)上升(P<0.001,P<0.001,圖2D)、Aggrecan的mRNA表達(dá)上升(P=0.001,P<0.001,圖2D),且YQTS給藥組較空白給藥組CD56+BM-MSCs,Ⅱ型膠原的mRNA 表達(dá)上升(P=0.002,圖2D)、Aggrecan的mRNA表達(dá)上升(P=0.001,圖2D)。Western blot結(jié)果表明,與誘導(dǎo)劑作用下比較,空白給藥組和YQTS 給藥組CD56+BM-MSCs能促進(jìn)軟骨細(xì)胞分化過程中的Ⅱ型膠原蛋白表達(dá)(P=0.030,P<0.001,圖2E、F)、Aggrecan 蛋白表達(dá)(P=0.001,P<0.001,圖2E、F),且YQTS給藥組較空白給藥組能進(jìn)一步提高Ⅱ型膠原蛋白和Aggrecan蛋白表達(dá)(P=0.002,P=0.009,圖2E、F)。
圖2 YQTS處理的CD56+ BM-MSCs對BM-MSCs軟骨分化的影響
2.3.1 YQTS 處理的CD56+BM-MSCs 外泌體促進(jìn)軟骨細(xì)胞增殖:提取CD56+BM-MSCs 的外泌體進(jìn)行鑒定。根據(jù)電鏡及納米顆粒跟蹤分析儀結(jié)果顯示,外泌體呈現(xiàn)典型的脂質(zhì)雙分子層結(jié)構(gòu),且顆粒大小在30~150 nm(圖3B)。
96 孔板中每孔接種2000 個(gè)軟骨細(xì)胞,貼壁24 h,各加入20 μg 的YQTS 給藥組和空白給藥組的CD56+BM-MSCs外泌體培養(yǎng)48 h,CCK-8檢測結(jié)果示YQTS 給藥組的CD56+BM-MSCs 外泌體與軟骨細(xì)胞共培養(yǎng)后,軟骨細(xì)胞增殖率高于空白給藥組的CD56+BM-MSCs外泌體(P=0.012,圖3C),表明YQTS處理的CD56+BM-MSCs外泌體促進(jìn)軟骨細(xì)胞增殖。
2.3.2 YQTS 處理的CD56+BM-MSCs 的外泌體促進(jìn)BM-MSCs軟骨分化:接種BM-MSCs(約2 萬個(gè)細(xì)胞)于35 mm 皿,各給藥組均加入誘導(dǎo)分化試劑,分別加入PBS 對照組及YQTS 給藥組的CD56+BM-MSCs外泌體20 μg(PBS混懸),誘導(dǎo)分化約10 d,用軟骨染色試劑盒檢測下室軟骨分化程度,結(jié)果顯示與不加外泌體的PBS 對照組相比,加入YQTS 給藥組的CD56+BM-MSCs外泌體處理的BM-MSC軟骨分化程度更高,分化效果更為明顯(P<0.001,圖3E、F)。
qRT-PCR 結(jié)果表明,與不加外泌體的PBS 對照組比較,加入YQTS 給藥組的CD56+BM-MSCs 外泌體后,Aggrecan 和Ⅱ型膠原的mRNA 表達(dá)均顯著上升(P=0.002,P=0.002,圖3G),說明YQTS 處理的CD56+BM-MSCs 外泌體對BM-MSC 的Ⅱ型膠原、Aggrecan的mRNA表達(dá)有促進(jìn)作用。
Western blot 結(jié)果顯示,與不加外泌體的PBS 對照組比較,加入YQTS給藥組的CD56+BM-MSCs外泌體后,Aggrecan蛋白水平有所提升(P=0.005,圖3H、I),Ⅱ型膠原蛋白水平顯著升高(P<0.001,圖3H、I),說明YQTS處理的CD56+BM-MSCs外泌體對BM-MSCs的Ⅱ型膠原和Aggrecan的蛋白表達(dá)有促進(jìn)作用。
圖3 YQTS處理的CD56+BM-MSCs外泌體對BM-MSCs軟骨分化的影響
軟骨是一種由致密細(xì)胞外基質(zhì)組成的高度結(jié)締組織,軟骨細(xì)胞是軟骨組織中的功能細(xì)胞,也是分泌細(xì)胞外基質(zhì)的唯一效應(yīng)細(xì)胞[9-10]。因軟骨及軟骨細(xì)胞的再生能力及自我修復(fù)能力有限,常導(dǎo)致骨關(guān)節(jié)炎等各類骨科疾病的發(fā)生[11-12]。近年來,BM-MSCs 在關(guān)節(jié)軟骨上的作用受到廣泛而持續(xù)地關(guān)注,但由于BM-MSCs種類的復(fù)雜性、多樣性,使得其維持分化成軟骨表型仍是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)[13]。研究表明,BM-MSCs是一些細(xì)胞標(biāo)志物的異質(zhì)細(xì)胞群,不同的細(xì)胞亞群具有不同的標(biāo)志物,且分布、分化過程均不同。近年來,單細(xì)胞RNA測序(single-cell RNA sequencing)技術(shù)為探究BM-MSCs的異質(zhì)細(xì)胞亞群提供了新的方法[14-15]。運(yùn)用單細(xì)胞RNA測序技術(shù)在LEPR+/CD45-BM-MSCs中鑒定出不同的細(xì)胞亞型,其中表達(dá)CD56亞型具有軟骨分化潛能,被視為軟骨細(xì)胞前體,且該細(xì)胞亞群主要位于生長板。另有研究表明,CD56+BM-MSCs 在不同異質(zhì)性骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞中表達(dá)有差異,且CD56 介導(dǎo)軟骨前體細(xì)胞與軟骨細(xì)胞的細(xì)胞間通訊[16]。因此,推測CD56+BM-MSCs可能是BM-MSCs修復(fù)軟骨損傷過程中主導(dǎo)細(xì)胞遷移和分化的重要細(xì)胞類型。外泌體是目前發(fā)現(xiàn)的介導(dǎo)細(xì)胞間通訊的新機(jī)制,研究表明BM-MSCs 來源的外泌體具有促進(jìn)軟骨細(xì)胞增殖的作用,通過介導(dǎo)BM-MSCs和軟骨細(xì)胞之間的細(xì)胞間通訊,修復(fù)軟骨損傷,減輕膝骨關(guān)節(jié)炎的疼痛[17]。BM-MSCs可通過外泌體中的miR-127-3p抑制軟骨細(xì)胞中的鈣黏附蛋白11,從而阻斷Wnt/β-catenin通路的激活,減輕骨關(guān)節(jié)炎中軟骨細(xì)胞的損傷;BM-MSCs 來源的外泌體miR-136-5p 可以促進(jìn)軟骨細(xì)胞遷移,抑制體內(nèi)軟骨變性[18-19]。
本研究團(tuán)隊(duì)一直致力于“髓系骨病”的研究,將骨關(guān)節(jié)炎、股骨頭壞死等骨病概括為“髓系骨病”,認(rèn)為其發(fā)病機(jī)制是由于患者骨枯髓減,腎虛則骨弱髓空,不能束骨而利關(guān)節(jié)也?!八柘倒遣 钡闹畏ǜ驹谟谡{(diào)髓,調(diào)髓治法在細(xì)胞層面的解釋即指調(diào)動(dòng)BM-MSCs的遷移、分化與歸巢,調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞-破骨細(xì)胞的偶聯(lián)平衡及修復(fù)軟骨組織等,進(jìn)而恢復(fù)并維持骨穩(wěn)態(tài),達(dá)到“髓足骨健”的效果[20]。已有文獻(xiàn)報(bào)道指出,黃芪、杜仲、菟絲子等均具有促進(jìn)BM-MSCs 成軟骨分化的作用[21]?;凇八柘倒遣 钡睦碚摚R床上采用YQTS 治療股骨頭壞死、膝骨關(guān)節(jié)炎等骨病的療效顯著。
本研究采用YQTS 進(jìn)行大鼠灌胃給藥,給藥后提取大鼠BM-MSCs,通過流式細(xì)胞術(shù)鑒定CD56 標(biāo)記細(xì)胞亞型在BM-MSCs 中的比例顯著增加,且與免疫熒光結(jié)果相同,提示YQTS 給藥后增加CD56+BM-MSCs 的 數(shù)量。采用CD56+BM-MSCs 與BM-MSCs 共培養(yǎng)的細(xì)胞模型,結(jié)果發(fā)現(xiàn)YQTS 給藥后提取的CD56+BM-MSCs 能促進(jìn)BM-MSCs 的軟骨分化,并增加軟骨分化標(biāo)志物Ⅱ型膠原、Aggrecan的表達(dá)。在上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步對CD56+BM-MSCs 來源的外泌體進(jìn)行提取,并將其與BM-MSCs共培養(yǎng),發(fā)現(xiàn)CD56+BM-MSCs來源的外泌體能顯著提高BM-MSCs 的軟骨分化效能。上述結(jié)果證實(shí),YQTS 的調(diào)髓機(jī)制可能是通過促進(jìn)CD56+BM-MSCs 亞型的增殖及CD56+BM-MSCs 來源的外泌體的分泌,進(jìn)而促進(jìn)軟骨分化(圖4)。
圖4 實(shí)驗(yàn)流程圖及益氣調(diào)髓方的作用機(jī)制圖
本研究尚存不足之處:①未對外泌體中具體發(fā)揮作用的mRNA 或miRNA 未做進(jìn)一步研究,有待于后續(xù)研究完善;②中藥復(fù)方中具體哪些效物質(zhì)發(fā)揮作用有待于進(jìn)一步研究。
綜上所述,明確了YQTS 在調(diào)控BM-MSCs 中CD56 標(biāo)記的細(xì)胞亞型中的作用,并初步闡明其通過CD56+BM-MSCs來源的外泌體發(fā)揮改善軟骨細(xì)胞功能的作用。YQTS 的藥效物質(zhì)基礎(chǔ)及體內(nèi)的具體作用機(jī)制尚有待進(jìn)一步驗(yàn)證。
【利益沖突】所有作者均聲明不存在利益沖突