1.1 设计 动物模型及细胞学实验。
1.2 时间及地点 于2016年10月至2017年10月在锦州医科大学附属第一医院辽宁省医学组织工程重点实验室完成。
1.3 材料
1.3.1 实验动物 24周龄大耳白兔18只,品种为纯种新西兰清洁级,体质量2.5-3.0 kg,雌雄比例为1︰1,由锦州医科大学动物实验中心提供,许可证号:SCXK(辽)2003- 0007。动物术前12 h禁食,自由饮水。
1.3.2 细胞和腺病毒载体 BMSCs由锦州医科大学临床生物样本中心提供。腺病毒载体Ad-BMP-2-IRES-HIF-1αmu由锦州医科大学中心实验室提供。
1.3.3 实验用主要试剂 马血清、EDTA-胰蛋白酶(Hyclone公司);醋酸泼尼松龙(25 mg/mL,美国辉瑞公司);抗BMP-2单克隆抗体、抗HIF-1α单克隆抗体(Novus公司);乌拉坦(Gibco公司);苏木精-伊红染色试剂盒、无血清M199培养基、体积分数10%FBS的培养基(Sigma公司);茜素红(上海雅吉生物科技有限公司);兔饲料(北京科澳协力饲料有限公司);墨汁(中华牌)。
1.4 实验方法
1.4.1 Ad-BMP-2-IRES-HIF-1αmu到BMSCs的转染 取BMSCs进行培养,选择第3代细胞为转染种子细胞,接种至6孔板,每孔接种5×105个,培养至细胞贴壁后去上清液,预实验确定转染MOI值为100,转染完成后加入无血清培养基2 mL,放至恒温培养箱,设置温度为37 ℃、CO2体积分数为5%,培养3 h后再加入M199培养基2 mL(含体积分数10% FBS),再培养36-48 h。在倒置荧光显微镜下观察经转染BMSCs的细胞活性、大小及形态,若细胞不发生不规则形变以及失活即无明显病变则视为转染成功。
1.4.2 成骨能力测定
碱性磷酸酶(ALP)活性测定:在96孔板中选择培养的第3代BMSCs进行计数接种,每组2 000细胞,每组6个重复孔,待培养至细胞贴壁后,每组以预实验确定的最佳MOI值进行转染,分别在转染的3,6,9,12 d吸取各孔中的培养上清液,并用PBS冲洗感光板。每孔分别滴加150 μL 0.05%的Triton X-100进行冻结→融化→冻结→融化操作,4 ℃裂解过夜。5 000 r/min离心15 min,将上清液移到新的辅助管,按照ALP试剂盒的操作说明,在分光光度计 405 nm处检测组织培养液A值变化(ΔA/min),每分钟记录 1次,连续检测3次,碱性磷酸酶的实际浓度计算公式为:ΔA/min×2 757。碱性磷酸酶水平的升高,说明BMP-2具有有效的生物学功能,可以诱导向成骨细胞表型分化。
钙结节茜素红染色:干细胞成骨分化过程中在细胞表面形成钙节点,应用茜素红复合物可鉴定干细胞是否已成功向成骨细胞转化。细胞转染成功3周后,取3组实验细胞,经胰蛋白酶处理后,接种至12孔的盖玻片上,每孔接种密度为3×104个,培养至细胞覆盖整个盖玻片,吸取上清液,滴加体积分数10%甲醛缓冲液静待20 min后加入0.1%茜素红-Tris-HCl,在37 ℃下染色,时间为30 min,二甲苯处理,滴加中性树胶封固,在显微镜下观察是否形成钙结节。
1.4.3 激素性股骨头缺血性坏死模型的建立与分组 18只白兔均经耳缘注射10 mL/kg马血清,14 d后再注射1次;继续饲养14 d后在实验白兔的双侧臀肌上注射醋酸泼尼松龙(8 mg/kg),连续注射6次,1次/d。然后进行X射线检查证实造模是否成功,成功标准:看关节间隙是否变窄,骨皮质是否变薄,骨密度是否降低,骨缺损区是否现低密度影,骨小梁是否稀疏、紊乱。
造模成功后将18只白兔分为3组,每组6只,雌雄比例为1︰1。实验组兔移植转染Ad-BMP-2-IRES-HIF-1αmu的BMSCs细胞悬液;对照组移植BMSCs细胞悬液;空白组移植细胞培养液。
1.4.4 细胞移植方法 用计数板将待移植的细胞进行计数,每组数量为2×104,加入2 mL培养基制成细胞悬液。各组兔麻醉后利用C型臂X射线机进行透视,选择2.5 mm钻头,由大转子下方开始,对准股骨头表面钻入股骨头软骨表面下方,深度约为4 mm,钻通四五条通道,利用骨穿针将配制好的2 mL细胞悬液通过钻好的通道注射到股骨头软骨下面,用骨蜡将通道开口密封,防止细胞液流出。所有动物实验操作一致。
1.4.5 Western Blot检测BMP-2与HIF-1αmu蛋白表达 移植8周后,取动物模型股骨头坏死局部组织,PBS冲洗3次,加入RIPA蛋白裂解液提取总蛋白,测定试剂盒测定蛋白质浓度,100 ℃变性10 min。利用10%的聚丙烯酰胺凝胶电泳进行分离后,电转移印记于PVDF膜后,5%脱脂奶粉- TBST封闭2 h,孵育一抗(1︰1 000的抗BMP-2及抗HIF-1αmu单克隆抗体)和单克隆抗体β-actin 4 ℃过夜,TBST漂洗3次后,在37 ℃下孵育辣根过氧化物酶标记的二抗(1︰2 000,羊抗兔多克隆抗体)2 h,TBST洗膜后,将ECL化学发光试剂A和B等体积混匀后与膜进行反应,暗室显影并曝光,利用UVI凝胶成像系统摄像。
1.4.6 组织病理学观察 移植8周后实验动物使用20%乌拉坦(4 mL/kg)麻醉处死,取双侧股骨头,剔除周围肌肉和软组织后,便可看出股骨头外形有着细微的改变和关节软骨面的变化,将股骨头从冠状面劈开两半,置入体积分数4%的中性甲醛中,7 d后用5%硝酸溶液浸泡3 d,进行脱钙。检测脱钙的方法使用针灸的针扎入股骨头中,可完全扎入视为脱钙完全。经乙醇常规梯度脱水和常规石蜡包埋,将股骨头放到切片机上切出4 μm的连续切片,然后将切片后脱蜡,用苏木精-伊红进行常规染色。在用高倍镜镜片分析出每一切片中5个观察点处统计出数量为50个骨细胞的空骨陷窝阳性数,进行空骨陷窝率计算。
空骨陷窝率=空骨陷窝数/总骨陷窝数。
1.4.7 墨汁灌注透明切片血管形态学观察及血管面积定量图像分析 移植8周后,将实验兔远心端部分血管结扎、末端割断,向远心端动脉插管。用生理盐水冲洗血管直至流出液体澄清。再用50 g/L墨汁注入血管,观察液体分布情况,至血管流出液体为浓黑色墨。将处理好的实验动物冷藏储存2 h后制作切片,观察股骨头缺损区域血管分布情况。对切片进行血管面积定量分析,选择切片载体的中心部位及周围0.5 cm处的横切片,运用图像剖析仪定量分析视野中的灌注后的血管所占的统计场面积(整个视野划分为1 024个统计场,单位U)。
1.5 主要观察指标 ①荧光显微镜观察转染效果;②动物模型建立评估;③Western blot检测蛋白表达;④病理学指标观察;⑤细胞学指标观察。
1.6 统计学分析 对所得数据利用SPSS 20.0软件进行单因素方差分析以及t 检验、χ2检验,实验结果用x±s表示,以P < 0.05为差异有显著性意义。
中国组织工程研究杂志出版内容重点:组织构建;骨细胞;软骨细胞;细胞培养;成纤维细胞;血管内皮细胞;骨质疏松;组织工程