ATRA干预培养鼠胚神经干细胞联合GDNF移植对脊髓损伤再生修复的作用

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目的:研究体外应用1.0μmol/L全反式维甲酸(all-trans-retinoic acid,ATRA)进行干预,培养鼠胚神经干细胞(neural stem cells, NSCs),联合胶质细胞源性神经营养因子(glial cell line derived neurotrophic factor, GDNF)移植至脊髓全横断损伤模型大鼠的损伤脊髓,探索该方法对脊髓损伤后神经再生和修复的作用。方法:(1)取孕2周SD大鼠胚胎额页皮层组织,置于含神经生长因子(20ng/ml bFGF,20ng/ml EGF)的无血清培养液内悬浮培养,细胞接种密度为l×106/ml,5~7天传代;取传三代的NSCs,在含1.0μmol/LATRA的培养液中诱导培养7天,用免疫荧光染色法鉴定神经干细胞特异性表面标志物Nestin及NSE、GFAP抗体的表达。选取高密度增殖的NSCs用BrdU进行标记,以备移植。(2)将60只雌性SD大鼠(200~250g)用2%戊巴比妥钠(30mg/kg)腹腔注射麻醉,制备胸段(T9-T11)脊髓全横断损伤模型。大鼠随机分为6组:正常组(n=10)、假手术组(n=10)、损伤对照组(n=10)、ATRA干预组(n=10)、GDNF组(n=10)、ATRA+GDNF组(n=10)。假手术组仅行椎板切除,不做其他干预;损伤对照组行脊髓横断,使用微量注射器注入生理盐水(15μl/天,连续7天);ATRA干预组脊髓横断后,使用微量注射器注入10μl含有2×105/μlBrdU标记的NSCs;GDNF组脊髓横断后,通过蛛网膜下腔导管注入GDNF(15μl/天,连续7天);ATRA+GDNF组脊髓横断后,通过蛛网膜下腔导管同时注入NSCs和GNDF(NSCs10μl, GDNF15μl,共25μl/天,连续7天)。每组大鼠于移植前1d、移植后1、2、5、8周进行行为学评估大鼠后肢运动功能的变化,实施电生理检查及筛网走道实验进一步检测大鼠感觉及运动功能恢复情况;于移植后2、5、8周进行心脏灌注,分别取损伤段、造模段和移植段脊髓组织作苏木素-依红(HE)染色,作组织学观察及5-溴脱氧尿嘧啶核苷/胶质纤维酸性蛋白(BrdU/GFAP)和微管相关蛋白-2/胶质纤维酸性蛋白(MAP-2/GFAP)免疫荧光双标检测并追踪标记移植细胞的分化与分布,检测神经纤维再生情况。使用SPSS20.0统计学软件行单因素方差分析,P<0.05为差异有统计学意义。结果:(1)体外应用1.0μmol/LATRA进行干预培养的NSCs呈Nestin阳性及NSE、GFAP抗体阳性,细胞增殖显著,细胞分化为神经元的比例增多。(2)行为学评估显示:移植后2周开始,ATRA+GNDF组评分高于ATRA干预组和GNDF组,差异有统计学意义(P<0.01),从5周开始,各组评分无明显变化,8周时以ATRA+GDNF组评分最高(P<0.01)。(3)筛网走道观察结果显示:移植前除正常组和假手术组外,其余各组大鼠双下肢完全瘫痪,走筛网时双下肢无力,只能靠身体前肢拖行,后肢偶尔微动,极易踩空,移植后第8周,ATRA+GNDF组前后肢出现步态协调,脚掌可负重,但无法支撑躯体。(4)电生理检查结果显示:移植后2周、5周、8周SEP及MEP波形逐渐恢复,潜伏期逐渐缩短,ATRA干预组、GDNF组与损伤对照组之间差异有统计学意义(P<0.05),ATRA干预组与GDNF组之间差异无统计学意义(P>0.05),ATRA+GDNF组与ATRA干预组及GDNF组之间差异有统计学意义(P<0.05),但相比正常组和假手术组仍有差异(P<0.05)。(5)HE染色光镜下观察脊髓横断后病理变化:2周时可见组织坏死,神经元变性或消失,白质内可见弥散分布的小囊腔;5周时损伤区结构紊乱,有空洞及胶质瘢痕形成,神经元形态趋向正常,轮廓清晰;8周时可见星形胶质细胞增生并大量聚集在瘢痕周围,部分细胞轴突再生并相互交错,空洞减少。(6)移植后NSCs存活情况观察:移植后2周,损伤节段可见大量橘红色BrdU标记的阳性细胞,主要分布于灰、白质,高倍镜下NSCs呈圆形或椭圆形,细胞从移植中心向四周迁移,主要聚集在纤维束和空洞周围,5周时,损伤节段仍可见较多BrdU阳性细胞,但灰质内存活的细胞数量明显少于白质,8周时,ATRA干预组脊髓内BrdU阳性细胞数量减少,但ATRA+GDNF组脊髓内仍有大量移植细胞存活。GDNF组未见BrdU标记的阳性细胞。(7)免疫荧光双标染色观察:移植后2、5周ATRA干预组、ATRA+GDNF组荧光双标GFAP阳性细胞主要分布于脊髓断端灰、白质空洞部位,部分向四周迁移,可见胞体呈现出草绿色荧光,向周围伸出数条放射状突起,8周时GFAP阳性细胞明显减少,部分存活细胞伸出突起并相互交织成网。正常组、假手术组、损伤对照组、GDNF组未检测到BrdU+GFAP阳性双染细胞;移植后2周,MAP-2阳性细胞主要分布于脊髓灰质神经元的胞体和突起而胶质细胞无染色,5周时细胞数量明显减少。正常组、假手术组、损伤对照组、GDNF组未检测到BrdU+MAP-2阳性双染细胞。(8)移植后轴突生长情况分析:移植后2、5、8周各组脊髓内GFAP、MAP-2均有表达,图像分析结果表明,ATRA+GDNF组阳性细胞面积明显大于ATRA干预组、GDNF组及损伤对照组,差异有统计学意义(P<0.05)。结论:1.体外应用1.0μmol/L ATRA进行干预培养可显著促进NSCs的增殖并促使NSCs向神经元分化。2.移植后,NSCs能够在损伤区域存活并向四周迁移与周围组织整合,移植的细胞可向神经元、胶质细胞方向分化,联合移植可提高脊髓损伤区域神经元和星形胶质细胞分化及存活的比例。3.联合移植可有效补充缺失的神经细胞,上调GFAP、MAP-2的表达,改善损伤脊髓内部微环境,显著促进脊髓全横断大鼠后肢运动及感觉功能的恢复。4.联合移植对大鼠后肢功能的改善优于单一应用细胞或神经营养因子移植。
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