骨髓间充质干细胞来源的细胞外基质对牙周膜干细胞成骨分化的影响

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背景:近年来,得益于各种先进制造技术的应用以及“无细胞支架”的深入研究,各类生物材料在骨组织工程领域迅速发展,通过脱细胞法得到的细胞外基质(Extracellular matrix,ECM)是研究热点之一。ECM中含有多种组织特异性的胶原结构,脱细胞ECM具备良好的物理及生物特征,可以制成凝胶、支架等形式,也可制成生物墨水用于3D打印。应用于骨组织工程生物材料的要求包括良好的细胞相容性,利于细胞早期黏附、增殖及促进细胞成骨分化。研究表明,骨髓间充质干细胞(Bone marrow mesenchymal stem cells,BMMSCs)来源的脱细胞ECM能够促进牙周膜干细胞(Periodontal ligament stem cells,PDLSCs)成骨分化,促进牙槽骨缺损修复。因此,制备优化的脱细胞ECM以提高其促成骨性能,成为脱细胞ECM作为生物材料应用于骨组织工程的研究方向。目的:本研究旨在探讨成骨诱导脱细胞ECM对PDLSCs黏附、增殖和成骨分化的影响,为临床有效利用PDLSCs治疗骨缺损提供重要的理论和实验依据。1.使用抗坏血酸和成骨培养基诱导两种BMMSCs来源ECM,采用化学脱细胞法脱细胞,制备抗坏血酸诱导BMMSCs来源的脱细胞ECM(Bone marrow mesenchymal stem cells derived decellularized extracellular matrix,BECM)和成骨诱导BMMSCs来源的脱细胞ECM(Osteogenic bone marrow mesenchymal stem cells derived decellularized extracellular matrix,OBECM)。2.探究BECM和OBECM对PDLSCs黏附和增殖的影响,评估两种脱细胞ECM促PDLSCs的成骨分化的影响。方法:1.复苏培养人BMMSCs,采用含抗坏血酸的培养基诱导10天形成细胞膜片,使用含1%Triton X-100和20 mMNH4OH的PBS进行脱细胞,制备得到BECM。采用成骨诱导培养基诱导10天后,使用同样化学法脱细胞,制备得到OBECM。2.实验分三组:聚苯乙烯(Tissue culture polystyrene,TCP)作为空白对照组、BECM组、OBECM组。3.脱细胞ECM的检测:DAPI染色确认脱细胞结果;扫描电镜(Scanning electron microscopy,SEM)观察ECM和脱细胞ECM的表面结构;BCA法(BCA Protein Assay Kit)测定BECM和OBECM蛋白含量。4.早期黏附和增殖能力检测:PDLSCs以5×104/孔细胞密度铺板24孔板,分别接种于TCP、BECM和OBECM组;鬼笔环肽(F-actin Staining,Green)染色观察PDLSCs 0.5、4、8、24 h早期黏附情况;活死染色检测PDLSCs接种于TCP和BECM组24 h的存活率,验证脱细胞ECM的生物安全性;CCK-8验证1、3、5、7天PDLSCs的增殖能力;Ki67免疫荧光染色验证1、3、5、7天PDLSCs的增殖速率。5.成骨分化能力检测:PDLSCs以2×105/孔密度接种于6孔板,TCP、BECM、OBECM三组;成骨诱导分化培养1、3、7、14天,采用碱性磷酸酶(Alkaline Phosphatase,ALP)染色验证其成骨能力;成骨诱导培养21天,采用茜素红(Alizarin Red S,ARS)染色检测矿化结节情况;最后采用Western Blot检测成骨诱导7天成骨相关蛋白骨桥蛋白(Osteoponin,OPN)和ALP的表达。结果:1.DAPI染色结果显示脱细胞后,无蓝染核颗粒出现,证明脱细胞完全。BCA结果表明OBECM蛋白含量高于BECM,但无统计学差异(P>0.05);SEM结果显示,两种脱细胞ECM表面都有大量纤维结构存在,其中制备的OBECM相较BECM纤维更粗大,另外OBECM表面有更多矿化沉淀状结构;2.鬼笔环肽染色观察早期黏附情况,结果表明PDLSCs在两种脱细胞ECM上伸展良好,脱细胞ECM利于PDLSCs早期黏附;活死实验结果显示,使用化学脱细胞法以及灭菌后制备的脱细胞ECM生物安全性良好;CCK-8统计结果表明,BECM和OBECM促进PDLSCs增殖能力(P<0.001),同时Ki67染色显示在第1、3天,PDLSCs于BECM、OBECM上增殖速率明显提高(P<0.05)。3.ALP染色结果表明,随成骨分化时间增加,PDLSCs于BECM和OBECM上成骨分化都优于TCP组。21天ARS染色结果显示,OBECM和BECM组矿化结节更多,面积更大(P<0.05)。WB结果表明,与TCP组相比,BECM和OBECM组表达更多ALP成骨蛋白(P<0.05),并且OBECM组比BECM组表达更多(P<0.05);相比TCP组,OBECM组OPN蛋白含量表达更多(P<0.001)。结论:1.成功制备抗坏血酸和成骨诱导的两种BMMSCs脱细胞ECM:BECM 和 OBECM。2.与TCP组相比,BECM和OBECM均可促进PDLSCs早期黏附和增殖能力。3.与TCP组相比,BECM和OBECM均可促进PDLSCs成骨分化能力,OBECM促成骨性能较强。
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