TGF-β3誘導(dǎo)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞膜片成軟骨分化*

張展松， 陳 亮， 何少茹△， 劉玉梅， 姚植業(yè)， 馮博文

[1廣東省心血管病研究所，2廣東省人民醫(yī)院（廣東省醫(yī)學(xué)科學(xué)院），廣東廣州510080]

細(xì)胞膜片技術(shù)[1]（cell sheet technology，CST）是近年來(lái)組織工程領(lǐng)域與再生研究領(lǐng)域應(yīng)用的細(xì)胞培養(yǎng)新技術(shù)，其可作為干細(xì)胞應(yīng)用的載體，并且結(jié)合生物材料擁有成骨和血管化能力；完整地保留了細(xì)胞自分泌的細(xì)胞外基質(zhì)、細(xì)胞-細(xì)胞間連接蛋白、細(xì)胞表面相關(guān)分子受體以及細(xì)胞間離子通道，避免了細(xì)胞消化酶對(duì)細(xì)胞活性的影響[2]；具備良好的組織相容性，促進(jìn)組織器官完全修復(fù)；具有一定的強(qiáng)度和操作性，其可通過(guò)對(duì)折、疊加等方式構(gòu)建出理想的膜片厚度；有良好的各向分化能力，已被廣泛應(yīng)用于血管、心臟組織、皮膚、骨組織以及牙周組織等組織工程研究與再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。細(xì)胞膜片可通過(guò)溫敏培養(yǎng)皿或抗壞血酸誘導(dǎo)成膜后機(jī)械剝離獲得，我們前期研究顯示，抗壞血酸（ascorbic acid，AA）誘導(dǎo)成膜更簡(jiǎn)單[3]。研究表明，轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β3（transforming growth factor-β3，TGF-β3）參與了軟骨細(xì)胞增殖、分化、肥大和終末分化，能有效促進(jìn)II 型膠原（collagen type II，Col II）和蛋白聚糖（proteoglycan，PG）等軟骨基質(zhì)形成[4-5]。但目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于組織工程領(lǐng)域中運(yùn)用TGF-β3誘導(dǎo)細(xì)胞膜片軟骨化少有研究。

因此，本研究于體外分離、培養(yǎng)髓間充質(zhì)干細(xì)胞（bone marrow mesenchymal stem cells，BMSMCs），經(jīng)抗壞血酸誘導(dǎo)后于體外構(gòu)建干細(xì)胞膜片（stem cell sheet，SCS），探索TGF-β3 誘導(dǎo)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞膜片成軟骨分化的可行性。

材料和方法

1 動(dòng)物

出生2 個(gè)月的新西蘭大白兔，不限雌雄，體重1.5～2.0 kg，選購(gòu)自南方醫(yī)科大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心，許可證號(hào)為SCXK（粵）2011-0015。

2 主要試劑

兔干細(xì)胞培養(yǎng)基及軟骨誘導(dǎo)培養(yǎng)基、血清和TGF-β3（Cyagen）；α-MEM 培養(yǎng)基和澳洲胎牛血清（Gibco）；抗壞血酸AA（Sigma）；鼠抗兔Col II抗體（Novusbio）；蘇木素染液、番紅染液、伊紅染液、Masson麗春紅酸性染液、阿利新藍(lán)染液和甲苯胺藍(lán)染液（谷歌生物公司）；DAKA II 抗（K5007，Agilent）；RNAiso Plus RNA 提取試劑盒、反轉(zhuǎn)錄試劑盒（RR036A）和熒光定量試劑盒（DRR420A）購(gòu)自TaKaRa。

3 主要方法

3.1 抗壞血酸誘導(dǎo)BMMSCs 構(gòu)建干細(xì)胞膜片（SCS） 無(wú)菌操作臺(tái)獲取BMMSCs，放到細(xì)胞培養(yǎng)箱，取第3 代的BMMSCs，經(jīng)傳代操作后接種到6 孔板中并調(diào)整細(xì)胞密度為1×109/L；待細(xì)胞貼壁后PBS輕輕沖洗2 次，更改為等量的AA 誘導(dǎo)培養(yǎng)基（α-MEM 培養(yǎng)基+10%FBS+20 mg/L AA）；每天鏡下觀察對(duì)比細(xì)胞形態(tài)及培養(yǎng)板中的大體改變，每3 d 換液1次，干預(yù)14 d。

3.2 SCS 誘導(dǎo)軟骨分化 取培養(yǎng)板中干預(yù)14 天后的SCS，棄去AA 誘導(dǎo)培養(yǎng)基，PBS 徹底沖洗；實(shí)驗(yàn)組添加等量的TGF-β3 軟骨分化培養(yǎng)基，并設(shè)置為CSCS 組；對(duì)照組繼續(xù)加入相同量的AA 誘導(dǎo)培養(yǎng)基，并設(shè)置為SCS 組；每天鏡下觀察對(duì)比細(xì)胞形態(tài)及培養(yǎng)板中的大體改變，每3 d換液1次，干預(yù)14 d。

3.3 石蠟切片、HE 染色與Masson 染色 將成軟骨誘導(dǎo)分化構(gòu)建的CSCS 與抗壞血酸構(gòu)的SCS 經(jīng)固定、脫水、透明、包埋修塊、切片攤片、烤片等制備成石蠟切片，行HE染色、Masson染色與阿利新藍(lán)染色。

HE 染色：將制備好的石蠟片，放置到二甲苯中脫蠟，而后于乙醇中浸泡，以去除二甲苯，最后于蒸餾水中洗去乙醇至水，石蠟片滴加蘇木素染液染色5 min，1%鹽酸乙醇分化30 s，1%堿性氨溶液中返藍(lán)30 s，待著色滿(mǎn)意后滴加伊紅染液染色1～3 min，再次經(jīng)過(guò)梯度乙醇與二甲苯脫水透明，中性樹(shù)膠封片，做好相關(guān)標(biāo)記。

Masson 染色：將制備好的石蠟片，放置到二甲苯中脫蠟，而后于乙醇中浸泡，以去除二甲苯，最后于蒸餾水中洗去酒精至水，石蠟片滴加蘇木素染液染色5 min，1%鹽酸乙醇分化30 s，Masson 麗春紅酸性染液染色5 min，2%冰醋酸浸洗30 s，1%磷鉬酸分化3～5 min，苯胺藍(lán)染液染色5 min，0.2%冰醋酸浸洗30 s，顯微鏡下觀察染液的染色效果；再次經(jīng)過(guò)梯度乙醇與二甲苯脫水透明，樹(shù)膠封片，做好相關(guān)標(biāo)記。

阿利新藍(lán)染色：將制備好的石蠟片，放置到二甲苯中脫蠟，而后于乙醇中浸泡，以去除二甲苯，最后于蒸餾水中洗去酒精至水，阿利新藍(lán)酸化液3 min，Alcian 藍(lán)染色液染色30 min ，根據(jù)著色效果復(fù)染5 min，再次經(jīng)過(guò)梯度乙醇與二甲苯脫水透明，樹(shù)膠封片，做好相關(guān)標(biāo)記。

聯(lián)合AA 與TGF-β3 構(gòu)建CSCS 的Col II 染色：膜片進(jìn)行包埋后制備成石蠟切片，置于蛋白酶K（20 mg/L），于37℃中進(jìn)行抗原的修復(fù)30 min，PBS 洗滌，滴加50 μL H2O2-甲醇封閉液于組織石蠟片上，滴入適當(dāng)比例的抗Col II 抗體于組織切片上并完全覆蓋組織。濕盒內(nèi)4℃孵育過(guò)夜，組織切片上添加人HRP標(biāo)注的抗鼠的Ⅱ抗（需完全浸潤(rùn)組織），25℃反應(yīng)50 min，組織石蠟片上添加即時(shí)配好的DAB 反應(yīng)液（需完全覆蓋組織），陽(yáng)性反應(yīng)為棕黃色，鏡下觀察DAB顯色效果以把控顯色時(shí)間，并終DAB液，蘇木素染液染色，1% HCl 分化，堿性氨溶液中返藍(lán)，清水沖，脫水透明，標(biāo)本封片。

3.4 RT-qPCR 檢 測(cè)CSCS 與SCS 中Col II 與PG 的mRNA 表達(dá) 獲取實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組膜片，RNAiso Plus 提取細(xì)胞RNA，反轉(zhuǎn)錄獲得cDNA，RT-qPCR 檢測(cè)軟骨化相關(guān)基因的表達(dá)。引物序列見(jiàn)表1（由Ta-KaRa 設(shè)計(jì)）。PCR 由熒光定量PCR 儀自動(dòng)采集目的基因與內(nèi)參基因的Ct值。實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組組間的目的基因相對(duì)表達(dá)量（即實(shí)驗(yàn)組目的基因相對(duì)表達(dá)量相對(duì)于對(duì)照組的倍數(shù)）用2-ΔΔCt表示。

表1 RT-qPCR引物序列Table 1. The sequences of the primers for RT-qPCR

4 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

統(tǒng)計(jì)軟件SPSS 20.0進(jìn)行分析。數(shù)據(jù)使用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差（mean±SD）表示，兩組間比較使用兩獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，當(dāng)P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)上的意義。

結(jié)果

1 BMMSCs 成膜后經(jīng)成軟骨誘導(dǎo)分化的鏡下及整體結(jié)構(gòu)改變

BMMSCs 接種培養(yǎng)后，顯微鏡下可見(jiàn)細(xì)胞貼壁生長(zhǎng)，呈梭形或不規(guī)則形。2 d 時(shí)可見(jiàn)細(xì)胞生長(zhǎng)密集，細(xì)胞密度達(dá)到90%以上。經(jīng)抗壞血酸干預(yù)14 d后，鏡下可見(jiàn)BMMSCs 生長(zhǎng)良好，細(xì)胞密度進(jìn)一步增大，細(xì)胞間隙難以辨別。成軟骨誘導(dǎo)分化14 d后，鏡下間充質(zhì)干細(xì)胞生長(zhǎng)良好（圖1）。大體上，BMMSCs經(jīng)抗壞血酸干預(yù)后行成軟骨誘導(dǎo)分化，可用鑷子鉗夾起“膜片”狀結(jié)構(gòu)，可卷縮成團(tuán)再展開(kāi)成膜（圖2）。

Figure 1. Microscope of bone marrow mesenchymal stem cells chondrogenic differentiation after cell sheet formation（×100）. A：the microscopic image showed that the cells were adherent and grew in a spindle or irregular shape；B：cells grew densely at 2 d；C：after 14 d of ascorbic acid intervention，the cell density further increased and the intercellular space was difficult to distinguish；D：after 14 d of cartilage-induced differentiation，the cells grew well under microscope.圖1 骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞成膜后經(jīng)成軟骨誘導(dǎo)分化的鏡下觀察

Figure 2. The overall structure of bone marrow mesenchymal stem cell sheet after chondrogenic differentiation. After the bone marrow mesenchymal stem cell sheetwas induced to differentiate into cartilage，the "sheet"structure was clamped with forceps，which could be rolled into a mass and expanded into a sheet.圖2 骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞膜片成軟骨誘導(dǎo)分化后的整體結(jié)構(gòu)

2 HE染色及Masson染色

HE 染色可見(jiàn)CSCS 的細(xì)胞質(zhì)及細(xì)胞外基質(zhì)成分均被染成粉紅色，其胞核為藍(lán)色，細(xì)胞間呈分層狀排列結(jié)構(gòu)（圖3A）。Masson染色，CSCS的胞核染成藍(lán)黑色，其細(xì)胞質(zhì)染成粉紅色，周?chē)@著大量染成藍(lán)色的膠原成分（圖3B）。SCS 組的HE 染色及Masson 染色大致同CSCS組（圖4）。

Figure 3. The microscopic imagesof chondrogenic SCS under HE and Masson staining（×400）. In HE staining，the cytoplasm and extracellular matrix components of CSCS werestained pink and their nuclei wereblue；the cells werearranged hierarchically；in Masson staining，the nucleus of CSCS was stained blue-black，and its cytoplasm was stained pink，surrounded by a large amount of collagen stained blue.圖3 CSCS的HE染色及Masson染色結(jié)果

Figure 4. The microscopic images of SCS under HE and Masson staining（×400）.圖4 SCS的HE染色及Masson染色結(jié)果

3 CSCS與SCS的阿利新藍(lán)染色觀察

CSCS 經(jīng)成軟骨誘導(dǎo)分化14 d 后，在阿利新藍(lán)染色中，胞核呈紅色，細(xì)胞質(zhì)及細(xì)胞外基質(zhì)呈藍(lán)色（圖5A）；SCS 對(duì)照組在阿利新藍(lán)染色中，胞核為紅色，其余成分被染成淺藍(lán)色或近乎無(wú)色（圖5B）。

Figure 5. The microscopic imagesof chondrogenic SCS and SCS under Alcian blue staining（ ×400）. A：after the CSCS was induced to differentiate into cartilage，the nucleus was red，the cytoplasm and extracellular matrix were blue；B：the nucleus of the SCS was red，and the remaining components were stained light blue or almost colorless.圖5 CSCS與SCS的阿利新藍(lán)染色結(jié)果

4 CSCS 與SCS 的軟骨化標(biāo)志物Col II 的免疫組化染色觀察

骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞膜片經(jīng)由成軟骨誘導(dǎo)分化培養(yǎng)基誘導(dǎo)14 d 后，對(duì)Col II 染色，陽(yáng)性表達(dá)Ⅱ型膠原的CSCS 胞漿為棕黃色，其細(xì)胞核呈藍(lán)黑色（圖6A）；未經(jīng)誘導(dǎo)的SCS 無(wú)表達(dá)，胞漿呈無(wú)色，細(xì)胞核呈藍(lán)黑色（圖6B）。

Figure 6. Immunohistochemicalevalation in collagen II of chondrogenic SCS and SCS（×400）.A：in the cartilage-related marker collagen II with immunohistochemical staining，the CSCSpositively expressed type II collagen：the cytoplasm of SCSC was brown-yellow and the nuclei were blue-black；B：no expression of collagen II in uninduced SCS group was observed.圖6 CSCS與SCS的collagen II的免疫組化染色結(jié)果

5 CSCS 與SCS 的軟骨化相關(guān)基因的RT-qPCR 檢測(cè)結(jié)果

與SCS 組（對(duì)照組）相比，CSCS 組（實(shí)驗(yàn)組）經(jīng)成軟骨誘導(dǎo)分化后，Col II 和PG 的mRNA 表達(dá)均顯著升高（P＜0.05或P＜0.01），見(jiàn)圖7。

討論

細(xì)胞膜片技術(shù)是近年來(lái)組織工程領(lǐng)域的細(xì)胞培養(yǎng)新技術(shù)，1993 年Okano 等[6]采用溫度敏感性材料多聚N-異丙基丙烯酰胺（polyN-isopropylacrylamide，PIPAAm）制備成溫度敏感型培養(yǎng)皿，通過(guò)溫度變化，直接獲得細(xì)胞膜片。避免了胰蛋白酶的消化，完好保留細(xì)胞外基質(zhì)、細(xì)胞-細(xì)胞間連接蛋白、細(xì)胞表面相關(guān)分子受體及細(xì)胞間離子通道[2]。目前，細(xì)胞膜片的制備方法很多，包括溫敏培養(yǎng)系統(tǒng)、光反應(yīng)系統(tǒng)、電反應(yīng)系統(tǒng)以及機(jī)械方法，但都存在一些缺點(diǎn)，如溫敏系統(tǒng)培養(yǎng)的細(xì)胞膜片可能會(huì)影響細(xì)胞的聚合與分化。Guo 等[7]通過(guò)添加抗壞血酸來(lái)促進(jìn)細(xì)胞外基質(zhì)分泌，快速穩(wěn)定地獲取骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞片。與其他方法相比，此法具有更簡(jiǎn)便、低廉等特性。Wei等[8]研究發(fā)現(xiàn)抗壞血酸能提高端粒酶的活性，促進(jìn)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的增殖，于體外很好地構(gòu)建了骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞片，可以為基于細(xì)胞的組織再生提供簡(jiǎn)單且實(shí)用的方法。并且，在臨床應(yīng)用中，細(xì)胞膜片已經(jīng)被成功地應(yīng)用到角膜、心臟等組織的修復(fù)中[9-10]。本研究中，在抗壞血酸的作用下，兔骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞出現(xiàn)生長(zhǎng)活躍現(xiàn)象，鏡下可觀察到細(xì)胞生長(zhǎng)致密。在大體上可見(jiàn)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞形成半透明地薄層膜狀結(jié)構(gòu)，且無(wú)需消化酶的作用，即可將細(xì)胞膜片完整地從培養(yǎng)板中取下來(lái)，組織學(xué)染色中可見(jiàn)細(xì)胞外包繞著大量染成藍(lán)色的膠原成分，能獲取到有生物活性的外基質(zhì)成分。

Figure 7. The mRNA expression of chondrogenic differentiation related genes in CSCS and SCS. Mean±SD. n=3. *P＜0.05，**P＜0.01 vs control group.圖7 CSCS與SCS的軟骨化相關(guān)基因的mRNA表達(dá)

轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β（transforming growth factor-β，TGF-β）是一個(gè)廣泛的生長(zhǎng)因子家族，可調(diào)節(jié)不同組織中的細(xì)胞增殖，分化，凋亡和遷移[11]。TGF-β 可以通過(guò)激活細(xì)胞外信號(hào)Smad2/3 信號(hào)通路影響軟骨細(xì)胞和MSC 增殖和分化，并誘導(dǎo)細(xì)胞外基質(zhì)的表達(dá)[4，12]。TGF-β3 在軟骨結(jié)構(gòu)分化和代謝中起到重要的作用[5]。軟骨組織主要是由細(xì)胞外基質(zhì)和包繞在其中的軟骨細(xì)胞組成，細(xì)胞外基質(zhì)蛋白的合成及相關(guān)基因的表達(dá)是正常軟骨細(xì)胞的一大特征[13]。軟骨細(xì)胞合成的細(xì)胞外基質(zhì)主要為Col II 和PG，且在固體基質(zhì)內(nèi)，50%～75%是膠原和15%～30%是PG[14]。Ravindran 等[15]研 究團(tuán) 隊(duì) 將 人 骨髓 來(lái) 源 的MSC 和PEG 微球構(gòu)建3D 共聚集系統(tǒng)，在TGF-β3 誘導(dǎo)后促進(jìn)BMSCs 中軟骨形成基因如Col II 和PG 的表達(dá)。Diekman 等[16]在藻酸鹽珠或軟骨衍生的基質(zhì)中將TGF-β3 作為軟骨誘導(dǎo)因子，發(fā)現(xiàn)與前者相同的結(jié)論。因此，可以通過(guò)鑒定細(xì)胞外基質(zhì)的成分來(lái)驗(yàn)證軟骨細(xì)胞。研究表明，未經(jīng)誘導(dǎo)的正常BMSCs 表達(dá)Col I，幾乎沒(méi)有表達(dá)Col II 和PG[17-18]。本研究采用阿利新藍(lán)染色、Col II 免疫組化染色和RT-qPCR 鑒定顯示細(xì)胞外基質(zhì)中Col II 和PG 高表達(dá)，表明TGF-β3 可成功誘導(dǎo)干細(xì)胞膜片向軟骨分化。

細(xì)胞膜片技術(shù)在軟骨分化方面的研究亦有報(bào)道。由于細(xì)胞膜片完好的保留細(xì)胞外基質(zhì)，具備良好的組織相容性和屏障功能，且能夠?yàn)檐浌窃偕峁┥L(zhǎng)因子，同時(shí)又能在體內(nèi)免受分解代謝因子的影響，保護(hù)再生軟骨組織，不少研究者認(rèn)為軟骨細(xì)胞膜片能夠很好地修復(fù)半層軟骨缺損[18-19]。Kaneshiro等[19]研究表明將多層軟骨細(xì)胞膜片疊加在一起修復(fù)兔關(guān)節(jié)軟骨半層缺損，術(shù)后經(jīng)PCR 檢測(cè)層狀軟骨細(xì)胞片能夠保持軟骨表型，高表達(dá)Col II 和PG，經(jīng)番紅染色和甲苯胺藍(lán)染色，提示軟骨缺損修復(fù)良好。Sekine 等[20]研究團(tuán)隊(duì)將人子宮內(nèi)膜腺體來(lái)源的干細(xì)胞膜片疊成細(xì)胞密集的3D 組織，在高細(xì)胞密度和缺氧環(huán)境下向軟骨方向分化，通過(guò)軟骨特異性標(biāo)記物Col II 免疫組織化學(xué)染色，組織內(nèi)PG 含量檢測(cè)來(lái)驗(yàn)證成軟骨分化能力，研究結(jié)果顯示間充質(zhì)干細(xì)胞能夠迅速向軟骨方向分化。

本研究中，在形成的膜片中添加TGF-β3 誘導(dǎo)干細(xì)胞膜片成軟骨分化，通過(guò)阿利新藍(lán)染色、Col II 免疫組化染色和RT-qPCR 鑒定細(xì)胞的Col II和PG 的表達(dá)，在mRNA 和蛋白水平驗(yàn)證細(xì)胞膜片的成軟骨分化能力，結(jié)果顯示高表達(dá)軟骨化相關(guān)基因Col II 和PG，軟骨特異性染色標(biāo)志物Col II免疫組織化學(xué)染色和阿利新藍(lán)染色呈陽(yáng)性，在基因水平和分子水平上呈現(xiàn)一致，證實(shí)體外經(jīng)TGF-β3 可成功誘導(dǎo)干細(xì)胞膜片向軟骨分化。

綜上所述，在抗壞血酸的作用下，兔骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞出現(xiàn)生長(zhǎng)活躍現(xiàn)象，分泌了大量的膠原細(xì)胞外基質(zhì)成分，形成了干細(xì)胞膜片。在TGF-β3 的作用下，軟骨特異性染色標(biāo)志物Col II免疫組織化學(xué)染色和阿利新藍(lán)染色呈陽(yáng)性，膜片整體高表達(dá)軟骨化相關(guān)基因Col II 和PG，在體外成功地誘導(dǎo)軟骨分化構(gòu)建出軟骨細(xì)胞膜片，并且能完整地獲取軟骨誘導(dǎo)后的細(xì)胞及包繞其的細(xì)胞外基質(zhì)結(jié)構(gòu)，對(duì)組織工程學(xué)中的研究具有重大意義。本研究使用抗壞血酸和TGF-β3，兩種因子之間是否存在聯(lián)系并沒(méi)深入探究，仍有待進(jìn)一步闡明。