来自于桑葚胚或早期胚泡的ESC,具有体外高度自我更新和定向诱导分化能力。早在1985年Doetschma等
[4]在体外发现ESC可自发分化为心肌细胞,如何提高心肌细胞的分化率成为了当前国内外研究的热点。体外定向诱导ESC分化为心肌细胞受到多种因素的影响,包括ESC细胞株、ESC数量、培养基、添加剂以及贴壁诱导培养时间等
[5-6]。本实验所采用的ESC系由129品系小鼠建立,为最常用且最稳定的细胞系,其在体外可长期自我更新。采用小鼠胚胎成纤维细胞作为ESC体外培养的饲养层细胞,并添加1 000 U/mL LIF共同保证ESC体外培养时的全能性。采用悬滴三步法作为体外诱导分化培养的基本操作法,悬滴三步法培养形成的拟胚体细胞集聚紧密,可提高细胞之间的相互作用。
ESC的定向分化可由不同的细胞因子共同或先后启动,不同的诱导剂可启动不同的分化调控机制[7-10]。目前,ESC定向分化为心肌细胞的主要诱导剂是5-氮杂胞苷和维甲酸。研究表明,基因表达中的甲基化和脱甲基化作用在ESC分化和胚胎发育中起到重要作用[11]。胞嘧啶类似物5-氮杂胞苷具有脱甲基作用,其能广泛引起5-甲基胞嘧啶脱甲基并降低DNA甲基转移酶的活力。如5-氮杂胞苷既可诱导纤维母细胞分化为肌细胞,也能诱导间充质干细胞分化为心肌细胞[12]。维甲酸作为细胞和胚层分化诱导剂,其进入细胞后与胞内受体视黄酸结合蛋白结合形成复合物并与细胞核受体结合,从而调控下游基因表达,使ESC向心肌细胞分化[13]。丹参作为临床心血管常用药,具有抗氧化作用,主要用于改善心肌供血[14],其可诱导骨髓间充质干细胞分化为神经细胞[15],也能促使ESC分化为心肌细胞[16]。本实验在悬滴三步法培养下,以中药丹参和5-氮杂胞苷为诱导剂,分化效果最佳(78%),较王秀丽等[17]采用5-氮杂胞苷作为诱导剂的悬浮两步培养法的心肌细胞分化率(50%)高。推测诱导ESC分化为心肌细胞的调节机制可能是通过不同的调控基因,从多个水平来刺激分化。同时,实验结果提示了中药丹参和5-氮杂胞苷结合作为诱导剂可进一步促进ESC向心肌细胞的分化,该培养体系可作为一种新的提高ESC向心肌细胞分化的实验体系。然而,使用丹参与维甲酸诱导剂时,心肌细胞的分化率比单独应用丹参或维甲酸低,具体机制不明,推测可能与抗氧化剂抑制ESC分化为心肌细胞有关[18]。
研究发现,在诱导ESC分化为心肌收缩基本单位肌小节时,其将按照胚胎早期心肌发育的生理机制依次表达心肌细胞特异性肌小节蛋白:肌联蛋白(Titin)、α-actinin、肌球蛋白重链(sarcomeric,MHC)、α-actin、肌钙蛋白(cardiac troponin)和M蛋白[19]。根据电生理及形态学分析ESC分化为心肌细胞的过程可人为地分为4个阶段[20]:早期(d7+1~d7+4),拟胚体中心肌细胞小而圆,新生的肌原纤维稀疏不规则排列或缺失,免疫细胞化学示心肌肌小节蛋白呈阴性表达;分化中期(d7+5~d7+7),心肌细胞逐渐发育为成熟的肌原纤维和肌小节,跳动的细胞主要呈单核,棒状;末期和终末分化阶段(d7+8~d7+24),肌原纤维成束状排列,心肌细胞发育成熟,免疫化学结果显示α-actinin、α-actin和myosin均呈阳性表达。
本研究采用免疫细胞化学法检测心肌细胞特异性肌小节蛋白的表达情况,在ESC诱导分化后第9天(d7+9),心肌特异性结构蛋白α-actinin、myosin、α-actin均成阳性表达,与体内生肌过程相似。
目前,体外诱导ESC分化为心肌细胞的研究虽然取得了一定的进展,但是,在体外诱导分化技术、定向诱导分化条件、诱导率的提高和诱导分化细胞纯度方面还存在不足。因此,研究ESC分化为心肌细胞的条件和技术,进一步提高诱导分化率、细胞纯度,具有重要的理论和临床应用意义。本实验采用悬滴三步法联合中药丹参与5-氮杂胞苷为诱导剂,可作为一种体外提高ESC分化为心肌细胞分化率的实验体系。