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研究目的:探讨抑制细胞调亡的B细胞淋巴瘤/白血病-xl基因(Bcl-xL)对人脐带血干细胞定向诱导分化的影响,观察Bcl-xL基因修饰的人脐带血干细胞定向诱导分化以后修复兔关节软骨损伤的疗效。研究内容:(1)人脐带血干细胞的获取,分离培养、定向诱导分化成软骨细胞;(2)慢病毒编码的抑制细胞凋亡基因Bcl-xL转染人脐带血干细胞;(3)检测Bcl-xL基因过表达对干细胞凋亡的影响;(4)检测Bcl-xL基因过表达对干细胞分泌II型胶原蛋白、半胱氨酸蛋白酶-3和基质金属蛋白酶3等蛋白的影响;(5)制造兔膝关节软骨损伤模型;(6)海藻酸钠盐支架包被Bcl-xL基因修饰的人脐带血干细胞,植入并修复兔软骨损伤;(7)检测植入的人脐带血干细胞是否能在异种动物体内存活;(8)HE、MASSON和改良蕃红O-固绿等染色方法观察软骨缺损的修复;(9)免疫组化、实时PCR、WB等方法检测Bcl-xL基因的表达对动物体内软骨细胞分泌II型胶原、半胱氨酸蛋白酶-3以及基质金属蛋白酶3等蛋白影响。材料与方法:(1)在正常分娩过程中获得人脐带血,体外分离获取干细胞,贴壁培养。取P2代细胞用TGF-β1因子联合使用胰岛素样生长因-1和地塞米松诱导干细胞向软骨细胞方向分化,培养至细胞爬满玻片时,用甲苯胺蓝染色和免疫组化染色方法鉴定诱导分化的效果,并与对照组比较。(2)用编码Bcl-xL的慢病毒对人脐带血干细胞进行修饰,取第3代人脐带血干细胞接种于6孔板,当细胞融合达到50~70%时,用编码Bcl-xL基因的慢病毒载体转染人脐带血干细胞。实验分四组进行,分别为对照组、诱导组、诱导+Bcl-xL慢病毒转染组、诱导+慢病毒空载组。对照组只分离培养干细胞,不加任何诱导因子;诱导组加入TGF-β1等诱导因子;诱导+Bcl-xL慢病毒转染组是在诱导组的基础上再加入编码Bcl-xL基因的慢病毒;空载组是在诱导组的基础上只加入未编码Bcl-xL基因的慢病毒。以上四组继续培养48h,在倒置显微镜下连续观察并记录细胞形态特征;甲苯胺蓝染色证实Bcl-xL基因转染后的干细胞仍具有软骨细胞的特征;通过流式细胞仪鉴定软骨细胞特征性的表面抗原如:CD90和CD105的表达。通过流式细胞仪检测各组细胞的凋亡情况,评价Bcl-xL基因对干细胞的凋亡的影响。实时PCR检测Bcl-xL基因在mRNA水平的表达;同时以β-actin为内参;Western blotting(WB)印迹法检测Bcl-xL基因在蛋白水平的表达;实时PCR及WB等方法检测Bcl-xL基因表达及其对II型胶原蛋白、半胱氨酸蛋白酶-3、基质金属蛋白酶3等蛋白表达的影响;SPSS17.0软件统计学分析比较各组间mRNA和蛋白水平表达的差异。(3)制备海藻酸钠支架,加入人脐带血干细胞形成细胞-支架复合物。将1.2%的海藻酸钠溶液滴入102m M氯化钙溶液在模具中凝固形成无细胞的海藻酸钠支架;将人脐带血干细胞加入1.2%的海藻酸钠溶液制成1×106/ml的单细胞悬液,滴入102m M氯化钙溶液在模具中凝固形成含人脐带血干细胞的海藻酸钠支架复合物。(4)制造兔软骨损伤模型,30只三个月大的日本大耳兔,分为5组,每组12只膝关节。麻醉后备皮,双侧后腿膝关节内侧切口进入膝关节,在股骨髁关节面用电钻造成一个直径4mm,深度约3mm柱状缺损,穿透软骨下骨,造成全层关节软骨损伤。按照5种不同的方式修复软骨缺损:假手术组(对照组):只进行假手术,软骨无损伤;模型组:进行软骨损伤造模而未予其它治疗干预措施,然后直接缝合;空载体治疗组:慢病毒空载体转染人脐带血干细胞,海藻酸钠包被后植入软骨损伤缺损区域;干细胞治疗组:未经慢病毒转染的人脐带血干细胞,海藻酸钠包被后植入软骨损伤缺损区域。Bcl-xL基因修饰治疗组:Bcl-xL基因修饰慢病毒转染人脐带血干细胞,海藻酸钠包被后植入软骨损伤缺损区域。饲养8周后全部动物处死,获取膝关节标本。采用抗人细胞核特异性抗体鉴定植入软骨缺损处的干细胞在正常免疫功能的兔体内是否能存活;观察Bcl-xL基因修饰的人脐带血干细胞移植治疗关节软骨损伤的效果,用HE、MASSON、改良番红O-固绿等染色方法观察关节软骨损伤的修复效果,用免疫组化、实时PCR及WB等方法检测动物体内Bcl-xL基因的表达及其对II型胶原蛋白、半胱氨酸蛋白酶-3以及基质金属蛋白酶3等蛋白表达的影响;用SPSS 17.0软件统计学分析比较各组间mRNA和蛋白水平表达的差异。结果:1、人脐带血中可成功分离出具有多向分化潜能的干细胞,并可体外培养、定向诱导分化软骨细胞;2、用编码Bcl-xL的慢病毒对人脐带血干细胞进行修饰,干细胞增殖分化后仍具有软骨细胞特征。干细胞内的Bcl-xL基因在mRNA和蛋白水平的表达均上调;Bcl-xL基因可抑制干细胞的调亡,Bcl-xL基因可促进软骨细胞II型胶原蛋白在mRNA和蛋白水平的表达,显著抑制半胱氨酸蛋白酶-3以及基质金属蛋白酶3的表达,组间分析具有统计学意义,P<0.05。3、海藻酸钠盐支架-干细胞复合体植入动物体内,检测到干细胞存活;病理染色显示,各组软骨损伤均有修复,3种染色方式均显示:Bcl-xL基因修饰的干细胞组软骨结构修复最满意,而模型组的修复相对最不满意;免疫组化染色、实时PCR和WB检测结果基本一致:软骨损伤促进了II型胶原纤维在mRNA和蛋白水平的表达,而Bcl-xL基因修饰进一步增加了II型胶原纤维的表达;对于半胱氨酸蛋白酶-3以及基质金属蛋白酶3的检测结果显示:与假手术组比较,模型组的半胱氨酸蛋白酶-3和基质金属蛋白酶3表达均明显上调(P<0.05),而Bcl-xl基因修饰组人脐带血干细胞相对模型组明显下调。组间分析差异显著(P<0.05)。此外,与正常人脐带血干细胞相比,Bcl-xL修饰的干细胞可进一步降低软骨损伤诱导的半胱氨酸蛋白酶-3以及基质金属蛋白酶3的表达,提高II型胶原蛋白的表达。结论:1、人脐带血干细胞可定向诱导分化成软骨细胞,Bcl-xL基因修饰可降低干细胞凋亡。2、移植人脐带血干细胞有利于修复软骨损伤,而Bcl-xL修饰则能提高人脐带血干细胞移植修复软骨损伤的疗效。