1.1 设计 一体式复合人工角膜的制备及其细胞学观察和初步体内生物相容性验证,使用方差分析评估差异的显著性,然后应用ANOVA检验进行多重比较。
1.2 时间及地点 实验于2022年9月至2023年12月在四川大学完成。
1.3 材料
1.3.1 细胞 人角膜上皮细胞HCEC由四川大学生物医学工程学院提供,人角膜内皮细胞B4G12由北京大学第三医院提供,小鼠胚胎成纤维细胞L929由四川大学生物医学工程学院提供,人血管内皮细胞由四川大学生物医学工程学院提供。所有细胞均在体积分数5%CO2环境下的37 ℃细胞培养箱中进行培养。
1.3.2 实验动物 7周龄雌性SD大鼠27只,体质量约200 g,购自成都达硕实验动物有限公司,实验动物生产许可证号:SCXK(川)2020-0030。动物实验方案已通过四川大学医学科研伦理审查委员会批准(批准号:K2023024)。
1.3.3 主要试剂 甲基丙烯酸羟乙酯(麦克林生化科技有限公司);REG(上海吉尔生化有限公司);1-羟基环己基苯基甲酮(上海泰坦科技股份有限公司);DNA提取试剂盒(北京索莱宝科技有限公司);超级核酸酶(上海阿拉丁生化科技股份有限公司);青霉素-链霉素(赛默飞世尔科技公司);Triton X-100(四川金山化学试剂有限公司);DMEM培养基(美国Hyclone公司);胎牛血清(赛默飞世尔科技公司);40 g/L多聚甲醛固定液(Biosharp科技有限公司);胰蛋白酶(美国Hyclone公司);CCK-8(Biosharp兰杰柯科技有限公司);山羊抗兔荧光二抗、二乙酸荧光素、FITC标记鬼笔环肽(索莱宝生物科技有限公司);DAPI染料(生工生物工程有限公司);肿瘤坏死因子α一抗、E-钙黏蛋白抗体(武汉三鹰生物技术有限公司);异氟烷(深圳市瑞沃德生命科技股份有限公司);DAB试剂盒、正常山羊血清(北京中杉金桥生物有限公司)。
1.3.4 主要仪器 全功能酶标仪(Synergy H1,美国Biotek公司);场发射扫描电子显微镜(S-4800,株式会社日立制作所);超微量分光光度计(Nanodrop 2000,美国Thermo Fisher公司);万能材料试验机(CTM6050,协强仪器制造有限公司);数控超声波清洗器(KQ-600DE,昆山市超声仪器有限公司);体视显微镜(NSZ-608T,宁波永新光学股份有限公司);真空冷冻干燥机(LGJ-10,北京松原华兴科技有限公司),高速离心机(TGL-16X,卢湘仪离心机仪器有限公司);医用低温保存箱(DW-86L626,青岛海尔生物医疗股份有限公司);恒温细胞培养箱(DGG-9070B,上海森信实验仪器有限公司);超净工作台(SW-CJ-1FD,苏州净化设备有限公司);手术缝合线(宁波市成和显微器械厂);激光共聚焦荧光显微镜 (LSM880,Carl Zeiss AG)。
1.4 实验方法
1.4.1 脱细胞猪角膜的制备 在死后3 h内获得新鲜的猪眼球(购自当地屠宰场)并立即取下角膜进行脱细胞程序,所取角膜的水平直径为(13.4±0.84) mm,初始厚度为(602.2±49.28) μm。在下述脱细胞过程中,所有溶液中均添加1%青霉素/链霉素以防止微生物感染,所使用的超声频率为40 kHz、功率为480 W。
①将取下的猪角膜置于-80 ℃充分降温后取出,常温下解冻,反复冻融3次。②将反复冻融的猪角膜置于2%Triton X-100的水溶液中,在室温环境中120 r/min振荡 8 h,期间每2 h超声处理15 min;置于1% Triton X-100溶液中处理8 h,期间每2 h超声处理15 min;重复上述2%和1%
Triton X-100溶液并超声操作3次。③使用超级核酸酶(200 U/mL)在37 ℃环境中120 r/min振荡6 h,取出样品后重复步骤②中所述操作,以去除被核酸酶分解的短链核酸,最后反复使用去离子水在室温环境中120 r/min振荡5次,每次3 h,以除去角膜中残留的Triton X-100。④对角膜施加应力去除部分水分,使角膜厚度降低到约1 mm,并将其保存在-80 °C 冰箱中,得脱细胞猪角膜,记为APCS。
1.4.2 猪角膜脱细胞效果表征方法
残余DNA定量检测:将新鲜猪角膜和APCS样品置于冷冻干燥机(冷阱温度为-60 ℃)中冷冻干燥48 h。利用手术刀和剪刀从两组样片上取适量组织并称质量,每组取3份样品,每份约30 mg,通过DNA提取试剂盒操作说明提取样品DNA,使用超微量分光光度计定量检测,根据检测结果计算样品中的DNA含量(ng/mg)。
组织学染色:将新鲜猪角膜和APCS样品固定在40 g/L多聚甲醛溶液中,使用乙醇梯度脱水后包埋在石蜡中。使用切片机将需要观察的截面切下厚度为5 μm的组织切片置于载玻片上,之后进行苏木精-伊红染色和DAPI染色,清除游离的染料后使用树脂封固,在显微镜下记录图像。
1.4.3 原位一体式人工角膜基体的制备 原位一体式人工角膜制备流程及人工角膜整体结构如图1所示。
①将APCS解冻后先后置于含50%,60%,75%,90%,95%,100%的甲基丙烯酸羟乙酯单体和3% 1-羟基环己基苯基甲酮光引发剂的水溶液中,每个浓度于室温环境下120 r/min振荡6 h,使单体均匀渗透进APCS中。②准备中央具有5.5 mm圆孔的遮光片,遮光片的作用是限制紫外光仅照射到角膜材料中央直径5.5 mm的区域。将遮光片覆盖到渗透单体后的APCS中央,使用0.3 mW/cm2、波长为275 nm的紫外光照射 20 min,翻转角膜在反面继续透过滤光片照射15 min。随后置于体积分数50%乙醇溶液中充分去除未反应的单体和光引发剂,使用去离子水去除残留的乙醇,得到具有梯度固化中央光学区的APCS。③将上一步骤中获得的角膜擦去水分,夹在两片表面平整的低导热率泡沫材料间,置于-80 ℃冰箱中2 h,取出后在室温解冻,重复冻融3次。反复冻融的目的是在冷冻过程中形成微通道,减小组织细胞在裙边内生长的阻力。去除材料上下两侧泡沫材料后,使用冷冻干燥机(冷阱温度为-60 ℃)干燥样品48 h。④将干燥后的样品后表面使用移液枪均匀涂抹50 μL含有3% 1-羟基环己基苯基甲酮的甲基丙烯酸羟乙酯溶液,室温静置5 min,使用10 mW/cm2、波长为365 nm的紫外光照射10 min。使用体积分数50%乙醇溶液去除未反应的单体和光引发剂。⑤使用含有1%青霉素/链霉素的PBS溶液去除残留的乙醇,得到具有中央光学区和后板层隔水区的人工角膜基体,记为GSAC。⑥将上述人工角膜基体冷冻干燥(冷阱温度-60 ℃,48 h)后,在超净工作台中使用超净台紫外灯灭菌8 h。⑦将灭菌后的人工角膜基体材料浸入含有200 ng/mL活性多肽REG和1%青霉素/链霉素的无菌PBS中4 h,使REG渗透浸入人工角膜基体中,得到REG人工角膜,记为R-GSAC。
1.4.4 人工角膜基体形貌观察 将R-GSAC材料浸入液氮中,从中央淬断以观察光学区与周围裙边的横断面;迅速转移至冷冻干燥机中(冷阱温度为-60 ℃)干燥48 h,通过碳胶带将干燥的人工角膜样品固定在扫描电子显微镜样品台上,喷金处理70 s提高绝缘样品表面导电性,在场发射扫描电子显微镜下采集人工角膜上、下表面以及光学区和裙边区域横断面图像。
1.4.5 人工角膜光学区透光率检测 使用直径为3 mm的角膜换钻取下GSAC中央光学区作为人工角膜光学区样品,取相同大小的新鲜猪角膜和APCS样品作为对照,置于96孔组织培养板中,使用全功能酶标仪测量390-700 nm 波长范围内的吸光度值,每隔每2 nm测量一次吸光度值。由于酶标仪测定的吸光度值与透光值的计算关系为吸光度值=lg(1/trans)(其中trans为检测物的透光值),因此可通过以下公式计算样品透光率,透光率=10^[-(样品吸光度值-空白孔吸光度值)]×100%。
1.4.6 人工角膜应力-应变实验 将新鲜猪角膜、 APCS及固化后的GSAC切割成矩形棒(4.5 mm×10.0 mm)并固定在万能电子材料试验机的2个夹具之间,夹具间的距离为 5 mm,拉伸速度设定为5.0 mm/min,预紧力为0.01 N,通过软件对载荷和变形进行分析和记录。
1.4.7 人工角膜体外降解实验 准备灭菌的APCS及GSAC样品,配置含有200 U/mL胶原酶的PBS无菌溶液。将样品编号后使用分析天平称质量并记录,之后将角膜样品浸泡于含有200 U/mL 胶原酶的溶液中,确保角膜样品完全浸没在溶液中,以充分降解样品中的胶原,置于37 ℃恒温培养箱中。在不同时间点取出样品,使用分析天平测量剩余质量,观察降解过程的动态变化,直至样品完全降解或剩余质量无明显变化。
1.4.8 人工角膜的体外生物相容性实验
(1)细胞毒性实验:参照标准GB/T 16886.12制备APCS、GSAC和R-GSAC的样品浸提液。由于细胞划痕实验中对被测试细胞需要使用无血清体系,为保证实验条件的一致性和可重复性,采用浸提介质为无菌的无血清DMEM培养基,浸提比例为3 cm2/mL,恒温摇床温度设置为37 ℃,速度设置为120 r/min,浸提时间为72 h。在超净工作台中使用移液枪收集浸提液后置于4 ℃下储存备用。
将成纤维细胞L929和人角膜内皮细胞HCEC分别以1×104/孔的密度接种在96孔板中,置于细胞培养箱中孵育6 h使细胞贴壁。弃去孔板中的培养基,每孔加入100 μL含体积分数10%胎牛血清的R-GSAC(或APCS、GSAC)材料浸提液作为实验组,加入100 μL含体积分数10%胎牛血清的DMEM培养基作为对照组,每组设置5个重复孔。孵育48 h后,将培养基替换为含有体积分数10% CCK-8试剂的DMEM培养基继续孵育1 h,使用酶标仪测定450 nm下的吸光度值。以对照组吸光度值为100%进行归一化处理,对实验组和对照组之间进行差异性分析。
将成纤维细胞L929和人角膜内皮细胞HCEC分别以5×104/孔的密度接种到24孔板中,孵育6 h使细胞贴壁,将培养基更换为R-GSAC(或APCS、GSAC)材料浸提液(实验组)或DMEM培养基(空白对照组)。培养48 h后,轻轻弃去孔板中的培养基,缓慢加入活细胞Calcein-AM和死细胞PI染料工作液37 ℃避光孵育15 min,在荧光共聚焦下使用FITC通道和PI通道观察并采集图像。
在24孔板底部加入14 mm细胞爬片。将成纤维细胞L929和人角膜内皮细胞HCEC分别以5×104/孔的密度接种到24孔板中,孵育6 h使细胞贴壁,将培养基更换为R-GSAC(或APCS、GSAC)材料浸提液(实验组)或DMEM培养基(空白对照组)。培养48 h后,40 g/L多聚甲醛固定贴壁细胞15min,用含0.5% Triton X-100的PBS通透细胞膜10 min,加入FITC标记的鬼笔环肽染料工作液避光室温孵育30 min,DAPI染料标记细胞核10 min,使用无菌PBS充分清洗残留的染料。取出细胞爬片,在激光共聚焦显微镜下使用FITC通道和DAPI通道观察细胞爬片上的细胞并采集图像。
(2)人工角膜不同区域特征细胞的生长:在超净台中使用手术刀将R-GSAC从中间切成小段后横截面向上置于24孔板中,将成纤维细胞L929与人血管内皮细胞分别接种于材料表面,细胞密度均为1×104/孔。将R-GSAC样品隔水层向下放置在24孔板中,随后在材料表面接种角膜上皮细胞HCEC,细胞密度为1×104/孔。将R-GSAC样品隔水层向上放置在24孔板中,随后在材料表面接种人角膜内皮细胞B4G12,细胞密度为1×104/孔。每孔加入1 mL含体积分数10%胎牛血清的DMEM培养基,置于37 ℃细胞培养箱中孵育24 h。在孔板中加入二乙酸荧光素染色工作液避光孵育10 min,将材料取出后细胞面向下放在玻璃薄片上,使用激光共聚焦显微镜观察并采集图片。将采集图片后的材料使用戊二醛固定液固定30 min,梯度乙醇脱水后冻干,扫描电镜下观察材料表面的细胞。
(3) Transwell实验:将无血清培养基中的人角膜上皮细胞HCEC、人角膜内皮细胞B4G12、人血管内皮细胞分别接种于Transwell 24孔板细胞小室的上室,细胞密度均为5×104/孔;在孔板底部(下室)分别放置APCS、GSAC和R-GSAC材料以及空白对照(未放置任何材料),在下室补充500 μL DMEM培养基,每组设置3个复孔。培养24 h后,用PBS清洗上室3次,使用40 g/L多聚甲醛固定细胞15 min,0.5%结晶紫染料染色30 min;使用棉签擦除小室上表面未迁移的细胞后在光学显微镜下拍照,通过Image J软件统计迁移到下表面的细胞数量。
(4)细胞划痕实验:将人角膜上皮细胞HCEC、人角膜内皮细胞B4G12、人血管内皮细胞在12孔板内培养至细胞融合率达到90%后,使用200 μL枪头在12孔板的孔里划线。划痕后使用PBS清洗两三次,去除刮掉的细胞和悬浮细胞。加入2 mL无血清培养基作为空白对照组,加入R-GSAC(或APCS、GSAC)材料浸提液作为实验组。划痕0,24 h后使用二乙酸荧光素染色细胞,在倒置荧光显微镜下采集细胞划痕处荧光图像,通过Image J软件测量计算细胞划痕宽度变化进行定量分析。
(5)细胞E-钙黏蛋白免疫荧光染色:在24孔板底部加入14 mm细胞爬片。将人角膜上皮细胞HCEC、人角膜内皮细胞B4G12及人血管内皮细胞分别接种于24孔板中,细胞密度均1×104/孔,孵育6 h使细胞贴壁,将培养基更换为R-GSAC(或APCS、GSAC)材料浸提液作为实验组,更换为DMEM培养基作为空白对照组。培养24 h后,40 g/L多聚甲醛室温固定细胞15 min,使用0.5% Triton X-100通透后与兔IgG多克隆E-钙黏蛋白抗体在4 ℃孵育过夜,使用山羊抗兔二抗进行二次孵育,通过FITC标记的鬼笔环肽定位细胞骨架,DAPI标记细胞核,在激光共聚焦荧光显微镜上捕获图像,使用ZEISS ZEN 3.8软件对荧光强度进行定量统计。
1.4.9 人工角膜植入SD大鼠皮下实验 采用随机数字表法将27只SD大鼠随机分为APCS组、GSAC组和R-GSAC组,每组9只。使用异氟烷气体麻醉后在每只大鼠背部做2个切口,然后在每个切口两侧用剪刀撑开皮肤使其与皮下肌肉分离,使用无菌的PBS冲洗植入物,然后将各组对应的植入物植入皮下,使用5-0尼龙缝合线闭合伤口。术后1,4,12周,麻醉后随机处死3只大鼠,使用剪刀和手术刀分离材料植入部位及周围组织,40 g/L多聚甲醛液固定,包埋后切片并进行苏木精-伊红染色。
取术后1,4周的组织样品,进行肿瘤坏死因子α免疫组化染色,评价植入后的急性炎性反应。将固定的组织使用石蜡包埋制备组织切片,使用二甲苯和乙醇脱蜡后蒸馏水至水,浸入柠檬酸盐缓冲液中80 ℃抗原修复20 min,冷却后使用PBS清洗;使用体积分数3%双氧水室温处理切片10 min,以阻断内源性过氧化物酶后,用PBS清洗;滴加山羊血清室温封闭20 min,加入肿瘤坏死因子α一抗4 ℃孵育过夜,用 PBS清洗后加入二抗37 ℃孵育30 min;用PBS清洗后使用DAB显色液显色,蒸馏水终止显色后使用苏木精复染细胞核,脱水封固。通过Image J软件测量阳性表达面积。
1.5 主要观察指标 R-GSAC的物理性能、力学性能、透光性、降解性能及体内外生物相容性。
1.6 统计学分析 使用Graphpad Prism 10软件进行统计分析。文中具有统计学重复的数据以x±s表示,使用方差分析评估差异的显著性,然后应用ANOVA检验进行多重比较。该文统计学方法已经四川大学生物医学工程学院生物统计学专家审核。