骨是由矿化有机基质和骨细胞组成。骨发生开始于成骨细胞生成和Ⅰ型胶原分泌,构成了约90%的有机骨基质或类骨质
[2]。成骨细胞是活跃的成熟骨细胞,其能合成有机基质并调节矿化过程,负责骨基质的合成、分泌和矿化不断地进行着骨重建。成骨细胞的增殖先于成骨细胞分化,而细胞增殖为进一步的再生成功起到了关键作用
[3]。同时,骨细胞不断地接收来自周围的细胞和组织的信号,例如,通过激素和生长因子,来调节其增殖,活性和存活
[4-5]。
成骨细胞的增殖率和生物活性控制着骨的形成,加速成骨细胞的增长是有效修复骨缺损的关键因素。Marinucci等[6]发现胶原能刺激成骨细胞的DNA合成。一旦成骨细胞生长活跃,它们开始产生碱性磷酸酶,并释放入类骨质生成矿物质沉积。碱性磷酸酶,在碱性条件下水解有机磷化合物的酯键,在骨骼钙化中起重要作用[7]。碱性磷酸酶通常被作为成骨细胞活性最为广泛认可的生物标志物[8-10]。已有证据表明,轻度减少碱性磷酸酶的表达及其活性,将足以影响矿化形成过程[11-12]。原代培养的成骨细胞矿物质沉积很快,在大约15 h完成[13]。有研究表明细胞外基质具有高代谢活性,而非静态支架[14]。
选择最有成骨潜力的细胞是骨组织工程应用的一个战略[15]。Hofstter等[16]已证明培养的成骨细胞,即使是分化成熟的成骨细胞仍有多分化潜能,能转化为骨组织、软骨组织和纤维组织。
然而,成骨细胞来源有限,需要通过体外扩增技术的方法增加成骨细胞数量[17]。成骨细胞培养是骨组织工程及骨代谢形成机制研究的基础。自Peck等[18]于1964年首次体外培养成骨细胞获得成功至今,对于成骨细胞体外培养技术的研究日益深入,体外培养技术也日趋成熟。培养标本的来源也较广泛,涉及骨、骨膜、骨髓及骨外组织等[19-20]。虽然大鼠颅盖骨成骨细胞的体外培养、纯化和鉴定技术已经成熟。但采用组织块培养法一次获得的细胞量较少。胰蛋白酶的活性较强,消化时间过长会对细胞膜造成损害,但时间过短则不利于细胞从骨质中分离出来[21]。胰酶可消化蛋白质、脂质等,胶原酶只消化骨细胞周围的基质[22]。应用消化能力较弱的胶原酶,提高了细胞的成活率,可在短期内获得大量功能良好的细胞。
实验采用新生24 h以内SD大鼠颅骨为组织来源的成骨细胞培养,其来源广泛、经济,取材方便;采用二次酶消化法,首先用胰酶对整块颅骨预消化,一方面可以减少胰酶对成骨细胞的损伤,另一方面能使成纤维细胞、破骨细胞、骨生成细胞首先脱落;剪碎后再用胶原酶消化,这样能使更多的成骨细胞游离出来。传代时,采用差速贴壁法进一步纯化成骨细胞。使最终获得的成骨细胞纯度高,活性好。
倒置显微镜下观察:成骨细胞植入24 h后细胞充分铺展,形态多样,呈三角形、梭形、多角形等不规则形。细胞形态膨大,伸展出长短不一的突起,胞核清晰可见。传代后四五天进入指数生长期。细胞形态于其他学者报道一致[23]。成骨细胞生长曲线显示:成骨细胞1~3 d为延滞期,4~8 d进入对数生长期,第8天以后进入平台期。
成骨细胞碱性磷酸酶活性检测可见大量细胞出现阳性反应,说明培养的成骨细胞具有碱性磷酸酶活性。矿化能力是成骨细胞的又一重要生物学特征[24]。茜素红钙化结节染色法和Von Kossa’s矿化结节染色法均为阳性结节染色,证实所培养成骨细胞所形成的结节为钙化结节。
成骨细胞扫描电镜观察细胞呈多角形,细胞立体感较好,表面有较多粗短的针状突起;与周围细胞突起连接成[25]。透射电镜观察超微结构观察显示成骨细胞保持典型成骨细胞超微结构特点,细胞器发达,含有大量内质网,线粒体致密,内质网扩张呈囊状,出现较多的基质小泡、髓样体和空泡状结构,显示为代谢活跃成骨细胞。
本实验结果表明,二次酶消化法能够在更短时间内获得大量的高纯度的成骨样细胞,细胞生物学特征稳定,适用于做体外实验研究模型。