人脐带间充质干细胞促进严重烧伤大鼠创面愈合及其机制的研究

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目的烧伤是平时、战时的常见外伤,突发性成批烧伤的救治效果与维护社会稳定密切相关。挽救严重烧伤患者生命的关键环节是尽早封闭创面。近些年的研究发现间充质干细胞(Mesenchymal Stem Cells,MSCs)能够有效修复损伤组织器官的结构和功能。基于MSCs有效修复重建损伤组织器官的功能,本研究拟探讨MSCs对严重烧伤创面的修复潜能。因此,将分离培养的人脐带间充质干细胞(humanUmbilical Cord Mesenchymal Stem Cells,hUCMSCs)移植入严重烧伤大鼠体内,探讨hUCMSCs对严重烧伤大鼠创面愈合的调控作用及机制,从而为临床严重烧伤创面的治疗提供新的思路和实验依据。方法(1)采用3种酶消化法(单纯胶原酶Ⅱ消化法、胶原酶Ⅱ+胰蛋白酶消化法、胶原酶Ⅱ+透明质酸酶消化法)及组织块贴壁法分离培养hUCMSCs。免疫荧光染色法/流式鉴定细胞的表面标志物CD105、CD90、CD44、CD73、HLA-I、CD45、HLA-DR、CD31和vWF;油红O染色、阿利新蓝染色和Von Kossa钙沉积法鉴定细胞成脂、成软骨和成骨的分化潜能;倒置相差显微镜和透射电镜观察细胞的形态及超微结构;MTT法检测不同代细胞的增殖情况以及hUCMSCs对T细胞的调节作用;碘化丙啶(PI)染色和流式检测不同代hUCMSCs的细胞周期。(2)收集特重度烧伤患者血清和正常对照血清。使用10%胎牛血清(10%FBS)、10%正常对照血清(10%HCS)和10%烧伤3d患者血清(10%BPS3d)培养体系培养hUCMSCs。AO-EB染色法/流式检测三组细胞的凋亡情况;倒置相差显微镜观察三组细胞的生长密度;MTT法检测三组细胞的增殖情况;碘化丙啶(PI)染色和流式检测三组的细胞周期;β-gal染色检测三组细胞的衰老情况。(3)取成年雄性Wistar大鼠126只,随机分成假伤组,烧伤组和烧伤+hUCMSCs移植组。将GFP标记的hUCMSCs或PBS通过尾静脉注入对应组大鼠体内。Image Pro Plus软件评估大鼠创面的愈合率;小动物活体荧光成像系统(BLI)检测GFP-hUCMSCs在大鼠体内的迁移情况;PCR技术检测创面是否表达人类特异性DNA;免疫组化染色检测创面炎症细胞浸润程度、新生微血管数量以及I、III型胶原表达;激光多普勒血流仪评估创面的血流;ELISA法检测创面促炎因子、抗炎因子、VEGF、I型胶原、III型胶原的含量。(4)实验分为3组:10%正常对照血清(10%HCS)、10%烧伤3d患者血清(10%BPS3d)和10%烧伤3d患者血清+Notch信号特异性抑制剂DAPT/GSI(DAPT/GSI+BPS)或者分为5组:10%HCS、10%BPS3d、10%HCS+20ng/mL VEGF、10%HCS+20ng/mL bFGF和10%HCS+20ng/mLVEGF+20ng/mL bFGF培养hUCMSCs。MTT法和台盼蓝染色计数检测hUCMSCs的存活和增殖情况; PI染色和流式检测细胞的增殖周期;Western Blot检测周期蛋白D(Cyclin D)的表达情况;ELISA法检测血清中VEGF、bFGF等细胞因子的含量;免疫荧光染色法检测VEGFR1和bFGFR2的表达情况;Western Blot和qRT-PCR检测Notch信号关键分子Notch-1和Hes-1的表达情况。结果(1)四种方法均可获得hUCMSCs,但胶原酶Ⅱ+透明质酸酶消化法获得细胞数量较多,且获得细胞的增殖速率较快。因此,胶原酶Ⅱ+透明质酸酶消化法是一种高效提取hUCMSCs的方法。获得的细胞阳性表达间质系表面标志物,但不表达内皮系和造血系表面标志物。传代到3代时,细胞的形态为长梭形,呈旋涡状生长。透射电镜示该细胞的核大且不规则,核仁明显,胞浆较少。使用特定诱导液诱导,其可向脂肪细胞、成软骨和成骨细胞分化。细胞周期的结果显示,80%以上的细胞处于静止期(G0~G1期),符合较原始干细胞的特征。综合以上结果确定分离得到的细胞是hUCMSCs。MTT的结果示,各代的hUCMSCs经1d潜伏期,2d-6d是对数增殖期,于第7d时开始出现不同程度的接触抑制而进入平台期。此外,hUCMSCs能显著抑制由植物血凝素(PHA)诱导同种异体T细胞的增殖。(2)10%FBS、10%HCS和10%BPS3d培养体系培养的hUCMSCs形态和结构均正常,未见细胞核着橘红色荧光的凋亡细胞或死亡细胞;流式的结果也验证了此结果。MTT的结果示,从第2d至第6d,10%BPS3d组细胞的增殖速度和增殖细胞量显著快于和多于其它两组;倒置相差显微镜观察细胞增殖生长的融合结果同MTT。10%BPS3d组细胞增殖期(S)的比例显著高于其它两组,而衰老细胞的百分率则显著低于其他两组。综上所述,严重烧伤血清中含有一些保护细胞且促进细胞增殖的细胞因子,因此将hUCMSCs移植治疗严重烧伤动物模型是可行的。(3)将GFP-hUCMSCs静脉移植入严重烧伤大鼠体内,其可随着血液循环迁移到达烧伤创面,显著降低创面炎症细胞浸润程度、显著降低创面促炎因子IL-1,IL-6,TNF-α水平和显著增加抗炎因子IL-10和TNF-α的刺激基因-6(TSG-6)水平。此外,hUCMSCs还可显著增加创面新生微血管的数量和VEGF水平以及显著上调创面中I型胶原、III型胶原比例,进而加速了严重烧伤创面的愈合过程。(4)与10%HCS相比,10%BPS3d可显著促进hUCMSCs快速增殖和显著促进hUCMSCs的细胞周期从静止期进入了增殖期,也可显著升高Cyclin D的表达水平以及可显著升高Notch信号关键分子Notch-1和Hes-1mRNA和蛋白的表达水平,而给予Notch信号特异性抑制剂DAPT/GSI后,则可显著降低10%BPS3d诱导的hUCMSCs增殖和显著降低Notch-1和Hes-1的表达水平。BPS中VEGF和bFGF的含量显著高于其它细胞因子,且hUCMSCs表达了VEGF和bFGF的受体。分别应用以及联合应用VEGF和bFGF的抗体,发现联合应用二者的抗体可以显著降低由10%BPS3d诱导hUCMSCs的增殖,相反添加外源性联bFGF和VEGF可显著诱导hUCMSCs的增殖和显著上调Notch-1和Hes-1mRNA和蛋白的表达水平。说明严重烧伤血清中的bFGF和VEGF是促进hUCMSCs的关键因子。结论hUCMSCs能显著加速严重烧伤大鼠创面的愈合。其次是严重烧伤患者血清中bFGF和VEGF激活了Notch信号通路进而促进hUCMSCs的存活和增殖,这也可能是hUCMSCs在严重烧伤大鼠创面微环境中存活、增殖和发挥促愈合功能的机制之一。
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