基于EMSCs条件培养基的多聚谷氨酸水凝胶治疗溃疡性结肠炎

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目的:深入分析鼻黏膜来源的外胚层间充质干细胞的条件培养基(Ecto-mesenchymal stem cells conditional medium,EMSCs-CM)的重要构成成分,阐明其修复溃疡性结肠炎(Ulcerative colitis,UC)的机制。通过CCK-8、活/死细胞染色(Calcein-AM/PI)、免疫印迹、免疫荧光等技术,体外评估EMSCs-CM对肠上皮细胞(Intestinal epithelioid cell,IEC-6)的影响及体外抗炎效果;并以阴离子多聚谷氨酸(Poly-γ-glutamic acid,γ-PGA)为载体,构建肠道稳定、结肠靶向的载EMSCs-CM的γ-PGA水凝胶,并通过体内外实验综合评测载EMSCs-CM的γ-PGA水凝胶的胃肠稳定性、对结肠粘膜靶向粘附性能、炎症因子表达及粘膜上皮修复等方面的疗效,以期为UC修复提供新的药物载体和实验依据。方法:(1)提取SD大鼠鼻粘膜组织后采用组织贴壁法进行培养并传代扩增EMSCs;免疫荧光技术鉴定其表面标志物和纯度。收集EMSCs无血清培养的上清液50 m L,透析、冷冻干燥即得EMSCs-CM。免疫印迹法检测EMSCs-CM中的白细胞介素10(Interleukin-10,IL-10),音猬因子(Sonic Hedgehog,SHH),和层粘连蛋白(Laminin,LN)及外泌体标志物CD9、CD63的表达情况并用电镜观察EMSCs-CM的微观结构。(2)通过CCK-8评估不同浓度的EMSCs-CM对正常IEC-6细胞增殖的影响。通过CCK-8及免疫荧光实验评估不同时间段内EMSCs-CM对炎症刺激状态下IEC-6细胞的增殖影响。实验分组:空白对照组(Control组),脂多糖组(LPS组)和条件培养基干预组(LPS+EMSCs-CM组)。Calcein-AM/PI染色分析EMSCs-CM对IEC-6细胞存活率的影响。免疫印迹法、免疫荧光检测IL-10、肿瘤坏死因子α(TNF-α),绒毛蛋白(Villin)在IEC-6细胞内的表达情况,进而评估EMSCs-CM的体外抗炎及肠上皮修复效果。(3)γ-PGA和EMSCs-CM按照一定比例混匀,以组织转谷酰胺酶2(Transglutaminase 2,TG2)进行交联,构建载EMSCs-CM的γ-PGA水凝胶(EMSCs-CM-Gel),使用BCA试剂盒检测EMSCs-CM-Gel在胃肠道模拟消化液中的稳定性,并进行损耗率分析。(4)选用25只C57小鼠,通过自由饮用2.5%DSS水进行UC造模,干预从造模时开始至小鼠取材结束。将实验小鼠根据不同干预分为以下五组:对照组(Control组)、结肠炎模型组(DSS组)、条件培养基组(DSS+EMSCs-CM组)、γ-PGA水凝胶组(DSS+Gel组)、EMSCs-CM水凝胶组(DSS+EMSCs-CM-Gel组)。将CY3荧光标记的γ-PGA水凝胶给小鼠灌胃,对比该凝胶在正常小鼠与UC小鼠肠道内的分布情况,评估其结肠靶向粘附效果。每天记录体重变化,观察大便性状,进行疾病活动指数评分(DAI)。在连续7天2.5%DSS的造模条件下,停止饮用DSS溶液并持续干预3天,随后取出结肠组织并记录长度。进行苏木精-伊红染色(Hematoxylin-eosin staining,HE),免疫印迹法检测IL-10、TNF、IL-1、IL-6和MPO等相关炎性因子表达及肠道相关蛋白Villin、Mucin、Laminin、TJP的表达。免疫组化(Immunohistochemical staining)进一步分析结肠组织中IL-10、TNF-α和Villin的表达水平。结果:(1)EMSCs扩增后呈鱼群样生长,并高度表达干细胞表面标志物S100、Vimentin和Nestin。(2)冻干浓缩后的EMSCs-CM中富含IL-10、SHH和Laminin等多种功能性因子及外泌体特征性蛋白如CD9、CD63等。同时EMSCs-CM电镜结果也表明EMSCs-CM中含有大量类似外泌体的微囊泡。(3)EMSCs-CM可促进正常状态下IEC-6细胞的增殖,在浓度为0.2 g/m L时效果最显著。EMSCs-CM干预48 h后,炎症刺激下IEC-6细胞的增殖显著增加。Calcein-AM/PI染色结果也表明EMSCs-CM能够有效保护炎性刺激下IEC-6细胞,减少IEC-6的死亡;免疫印迹与免疫荧光结果进一步说明EMSCs-CM减轻了炎症反应,促进了IEC-6细胞的增殖。(4)体外模拟胃肠道实验提示EMSCs-CM-Gel组能够有效减少胃肠道损耗,提高EMSCs-CM的胃肠稳定性。(5)在2.5%DSS溶液干预的第4天,小鼠出现UC典型症状,包括体重减轻、活动减少、大便不成形,EMSCs-CM组和EMSCs-CM-Gel组相比于DSS结组显著降低了DAI评分,减轻了结肠缩短的程度;(6)小鼠活体成像结果表明EMSCs-CM-Gel能够靶向吸附UC模型小鼠的结肠粘膜损伤处,实现结肠靶向治疗。(7)免疫印迹结果显示:相比于DSS组,EMSCs-CM和EMSCs-CM-Gel组均能抑制炎症因子TNF-α的表达,上调抗炎因子IL-10的表达,从而减轻炎症反应,而EMSCs-CM-Gel表现出更出色的肠道保护作用与抗炎效果。(8)HE和免疫组化染色显示,EMSC-CM组结肠粘膜内出现了IL-10高表达,有效抑制了炎症的反应,杯状细胞数量增多,但结肠微观结构仍有一定程度破坏;EMSC-CM-Gel组,结肠微观结构保护完好,由于阴离子γ-PGA水凝胶与带正电荷的损伤处蛋白结合,增加了EMSC-CM在损伤区的滞留时间和累积量,可显著改善UC炎症,促进肠粘膜修复。结论:(1)EMSCs-CM含有多种抗炎因子和促进组织再生的营养因子,有利于减少局部促炎因子的分泌,修复结肠粘膜,显著缓解DSS诱导的小鼠UC症状。(2)EMSCs-CM水凝胶减少了胃肠道损耗,提高了EMSCs-CM的胃肠道稳定性。此外,针对于UC,水凝胶能够吸附于损伤部位,提高药物的累积量,实现药物靶向治疗。(3)小鼠肠炎部位的促炎因子表达减少,可能与结肠组织中抗炎因子IL-10的大量升高有着潜在联系。在UC模型小鼠中,通过富含IL-10的EMSCs-CM外源性的给药,直接发挥了抑制炎症的作用,减缓了UC的进展。此外,有研究表明MSCs可分泌前列腺素2(Prostaglandin E2,PGE2),PGE2可以促进结肠粘膜中巨噬细胞极化,即将巨噬细胞从促炎型M1转化为抗炎型M2,而M2型巨噬细胞能够高水平表达IL-10[1]。EMSCs-CM的给药可能引起了级联反应,调控了UC局部巨噬细胞的极化,进一步上调了IL-10的表达。
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