组织工程学是集生物学、工程学、材料学及外科为一体的新兴学科
[1]。其核心技术是利用少量的组织学细胞经过体外培养、扩增后附着在一定的支架材料上移植到体内形成新的有生命力的组织。组织工程包括三大要素:种子细胞、支架材料、细胞因子。软骨组织工程中的种子细胞的来源主要有2个:软骨细胞和具有成软骨细胞能力的细胞。软骨细胞包括自体软骨细胞及异体软骨细胞。自体软骨细胞供体来源不足,异体软骨细胞存在免疫排斥及疾病传播问题,导致术后效果不是很理想
[2-3]。胚胎干细胞至今尚未能解决异体移植免疫排斥反应问题和产生畸胎瘤的潜在危险
[4]。另外,提取胚胎干细胞就意味着扼杀一个新生命,所以,胚胎干细胞的提取和使用,存在着法律、道德和伦理文化的制约。因此软骨细胞和胚胎干细胞都无法成为理想的种子细胞来源。于是,人们开始把目光转向间充质干细胞。骨髓间充质干细胞因取材方便,具有增殖能力强、多向分化能力的特性,使其在研究构建组织工程软骨时,作为种子细胞愈来愈受到重视
[5-6]。然而在骨髓中间充质干细胞的数量非常少,约占整个有核细胞的十万分之一,难以满足组织工程和细胞治疗的需要
[7],且易与其他细胞相混杂,因此,建立一种简便可行的体外培养扩增方法,获得大量稳定的骨髓间充质干细胞具有重要的理论意义和应用价值。
目前用于分离骨髓间充质干细胞的方法主要有4种:贴壁分离筛选法、密度梯度离心法、流式细胞仪法、免疫磁珠法以及细胞筛选法
[8]。
贴壁分离筛选法也称为全骨髓贴壁培养法。其原理是根据间充质干细胞贴壁生长,而造血系细胞悬浮生长的特性,定期换液除去不贴壁细胞,如造血系细胞、内皮细胞等,达到分离纯化干细胞的目的。全骨髓培养法保留了部分造血干细胞和其他杂细胞,能够使得骨髓间充质干细胞在更接近体内的原始环境下生长,有利于骨髓间充质干细胞的增殖,在分离细胞的过程中残留的血小板和巨核细胞产生的细胞因子能促进骨髓间充质干细胞集落的形成。并且此种方法操作简易,细胞丢失损伤少,分离得到的细胞分化潜能较好。
密度梯度离心法采用密度梯度离心结合贴壁生长来分离骨髓间充质干细胞。虽然该法可以获得纯度较高的原代骨髓间充质干细胞,但离心会导致大量细胞丢失,同时高强度的离心力对细胞活性有影响。同时,Lisignoli等指出使用密度梯度离心法易使骨髓间充质干细胞向成骨细胞分化,而降低了向其他方向分化的能力。
免疫磁珠法能获得高纯度间充质干细胞,但由于至今尚未发现间充质干细胞特有的标记分子,并且经过流式细胞仪进行细胞分选对细胞损伤大。这些方法仍在探索研究
[9-10]。
综合以上种种方法,本实验采用贴壁分离筛选法体外分离培养骨髓间充质干细胞,经流式细胞仪及免疫细胞化学染色检测细胞表面分子表达显示分离效果良好。结果表明运用贴壁分离筛选法操作简易,造成污染的环节和机会较少,可以更好的保持细胞的活性状态。接种培养后12 h可观察到部分细胞贴壁,48 h见20%细胞有伪足伸展,以后贴壁细胞逐渐增多,且细胞逐渐增大,呈团簇性生长倾向,至12-17 d时培养瓶中的细胞铺满瓶底。造血细胞不断坏死破碎,因其
不贴壁而随换液不断清除。细胞传代后,增殖速度快,每7 d传代1次,随着传代次数增加,细胞形态趋于一致,成纺锤形和纤维形。集落形成数量随传代次数增加而减少。研究表明,在生长过程中间充质干细胞经历潜伏期、对数增殖期和平台期,生长曲线呈S形,符合正常细胞的生长特性,且倍增时间短。传代后间充质干细胞贴壁时间缩短,增殖速度加快,接种后5 h就有80%以上细胞贴壁,每传代1次细胞数可增加2倍左右。表明该分离培养获得的骨髓间充质干细胞在体外有较强的扩增能力。通过透射电镜观察这些细胞体积较小核大,核质比较高,细胞器不很发达符合早期未分化细胞形态学特征。
培养第3代细胞,用细胞计数的方法对其进行了生长曲线的测定,细胞接种后1-3 d为细胞增殖潜伏期,第4天为指数增生期,第7天进入平台期,经流式细胞术检测S期细胞比率为22.1%,说明细胞增殖较为活跃。在不同类型的细胞表面均有不同蛋白表达,这是用来鉴定各种不同类型细胞的方法。在人间充质干细胞膜上就有数十种细胞表面分子的表达,这将有助于对细胞进行鉴定。
本实验结果显示,C-kit抗体阳性细胞达55.3%,其阳性颗粒主要分布于体积较大的多角形骨髓间充质干细胞的细胞膜和细胞质中,而体积较小的细胞没有表达。C-kit为干细胞因子受体,属Ⅲ型
酪氨酸激酶家族成员,主要表达于肥大细胞、黑色素细胞、造血干细胞、肠间质细胞、生殖细胞和胚胎的脑和脊髓细胞等并对这些谱系的细胞发育和分化起关键作用[11-13]。C-kit与其配体干细胞因子结合而参与多种细胞发育、分化和细胞凋亡等过程。
CD45属造血干细胞表面抗原,本研究结果显示免疫细胞化学染色与流式细胞术均缺乏这一标记分子的表达,说明分离的细胞是非造血干细胞。虽然至今并没有发现间充质干细胞独有的标志分子,以便能够对其进行准确的鉴定,但这些表面分子对细胞所产生的效应和细胞分化的信号相互作用提供了线索。
间充质干细胞经成骨细胞诱导16 d,细胞的胞体呈椭圆形,有短突起彼此相连,胞浆较暗,提示可能富含粗面内质网和高尔基复合体,并具有分泌类骨质的功能。更加有力地证明了本研究所提取的细胞是具有分化潜能的间充质干细胞。
小结:在实验中要获得活性好、形态均一的间充质干细胞,以下细节问题值得注意:①间充质干细胞主要存在于干骺端,所以剪切股骨时尽量多留些,冲洗时多冲洗数次。②在前48 h时不要过多移动培养板,这时贴壁不牢,过多移动培养板易使贴壁细胞漂起。③1×10
8是较适宜的种植密度。高密度接种细胞生长缓慢。通常解释骨髓间充质干细胞之间存在接触抑制,但是否由于在培养过程中细胞分泌某种物质导致这一现象,尚值得探索。密度太低,培养时要获取大量细胞的时间会很长,所以调整细胞接种密度,在短时间内获得大量细胞尤为重要。④严格无菌操作。
总之,贴壁分离筛选法是一种有效分离培养骨髓间充质干细胞的好方法:其操作简易,分离到的骨髓间充质干细胞具有较强的扩增能力,并且细胞形态和生物学特性稳定性好。