脫細(xì)胞隨機(jī)肌腱支架促進(jìn)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞骨向分化*

張珂珂，李紅梅△，劉 暢

（1暨南大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院病理生理學(xué)系國(guó)家中醫(yī)藥管理局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510632；2大連市中心醫(yī)院中心實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連116033）

肌腱損傷的修復(fù)和重建是骨科醫(yī)生面臨的一大挑戰(zhàn)。肌腱組織血液供應(yīng)差，自我修復(fù)能力有限，因此，受損肌腱組織愈合非常緩慢，即使愈合也很難達(dá)到正常肌腱的完整結(jié)構(gòu)和機(jī)械強(qiáng)度［1］。目前用于受損肌腱修復(fù)的治療方法有自體移植物、異體移植物、合成和天然細(xì)胞外基質(zhì)（extracellular matrix，ECM）來(lái)源的移植物等，成功率極低，且具有傳播疾病或產(chǎn)生免疫排斥反應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)。因此，尋找有效的肌腱組織修復(fù)材料依然是臨床面臨的重大難題［2］。

近年來(lái)，去細(xì)胞肌腱組織由于具有巨大的臨床應(yīng)用潛力而備受關(guān)注。研究發(fā)現(xiàn)，去細(xì)胞多層肌腱切片支架可誘導(dǎo)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs）分化為肌腱細(xì)胞［3］，且天然肌腱ECM支架能增強(qiáng)受損肌腱的承重能力［4］。Tong等［5］利用牛跟腱作為支架，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)膠原纖維的方向而非膠原蛋白的含量影響B(tài)MSCs排列、延伸和分化。Yiu等［6］利用納米纖維模擬肌腱組織的膠原纖維結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)有序排列的納米纖維可以促進(jìn)干細(xì)胞向肌腱分化，而隨機(jī)排列的納米纖維則促進(jìn)干細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化。我們前期利用大鼠尾肌腱制備了膠原纖維定向排列的肌腱ECM支架（定向肌腱ECM支架），發(fā)現(xiàn)膠原纖維的有序結(jié)構(gòu)能誘導(dǎo)BMSCs沿膠原纖維定向生長(zhǎng)，并促進(jìn)BMSCs向肌腱細(xì)胞分化，然而隨機(jī)排列的膠原纖維支架對(duì)BMSCs分化的影響尚不清楚。在本研究中，我們通過(guò)打亂鼠尾肌腱膠原纖維固有的排列，制備出膠原纖維隨機(jī)排列的肌腱ECM支架（隨機(jī)肌腱ECM支架），在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步探究隨機(jī)肌腱ECM支架對(duì)BMSCs活力和分化的影響。

材料和方法

1 材料

SPF級(jí)雄性 Sprague-Dawley（SD）大鼠，4～6周齡，160～180 g，購(gòu)自廣東醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心，許可證號(hào)為SCXK（粵）2013-0020。LG-DMEM培養(yǎng)基、澳洲胎牛血清（fetal bovine serum，F(xiàn)BS）、PBS緩沖液、0.25%胰酶（trypsin）均購(gòu)自HyClone；青霉素/鏈霉素（雙抗）購(gòu)自Gibco公司；流式檢測(cè)抗體（小鼠抗人CD44-FITC、CD45-FITC、CD90-FITC和CD106-PE）購(gòu)自 BioLegend；4%多聚甲醛固定液、DAPI、Triton X-100、DNA酶（DNase）和RNA酶（RNase）均購(gòu)自Sigma；戊巴比妥鈉購(gòu)自北京諾特萊斯生物科技有限公司；細(xì)胞計(jì)數(shù)試劑盒8（Cell Counting Kit-8，CCK8）購(gòu)自Dojindo；DNA提取試劑盒購(gòu)自天根生物科技有限公司；Live/Dead試劑盒購(gòu)自Life Technologies；RNA提取試劑盒（RNeasy Plus Mini Kit）購(gòu)自Qiagen；逆轉(zhuǎn)錄試劑盒（PrimeScript RT Kit）和real-time PCR試劑盒（SYBR Premix Ex Taq Kit）購(gòu)自TaKaRa；所用引物由Invitrogen公司設(shè)計(jì)合成。

2 方法

2.1 大鼠BMSCs的提取 采用全骨髓貼壁培養(yǎng)法培養(yǎng)BMSCs。SD大鼠3%戊巴比妥鈉麻醉后，小心分離股骨和脛骨，75%乙醇浸泡消毒，PBS清洗2～3次。使用含10%FBS和1%雙抗的LG-DMEM培養(yǎng)基沖洗骨髓腔，獲取原代BMSCs，接種于細(xì)胞培養(yǎng)瓶?jī)?nèi)，置于細(xì)胞培養(yǎng)箱（37℃，5%CO2）中，每隔48 h換液，棄去未貼壁細(xì)胞。待細(xì)胞融合度達(dá)80%以上時(shí)，1∶3傳代培養(yǎng)。

2.2 大鼠BMSCs的鑒定 利用流式細(xì)胞術(shù)檢測(cè)干細(xì)胞表面標(biāo)志物：取融合率達(dá)80%以上的第2代BMSCs，棄去培養(yǎng)液，PBS清洗，0.25%胰酶消化后制備成單細(xì)胞懸液，調(diào)整細(xì)胞密度為1×109/L，裝入流式管；每管中加入500 μL細(xì)胞懸液，依次將CD44（1∶1 000）、CD45（1∶8 000）、CD90（1∶1 000）、CD106（1∶1 000）抗體稀釋到相應(yīng)比例后加入到細(xì)胞懸液中，吹打均勻，4℃避光孵育30 min；PBS清洗3次，棄去上清，加入500 μL PBS重懸細(xì)胞后，避光使用流式細(xì)胞術(shù)檢測(cè)，計(jì)算細(xì)胞表面抗原表達(dá)率。

2.3 隨機(jī)肌腱ECM支架的制備方法

2.3.1 天然肌腱組織的提取和脫細(xì)胞處理 對(duì)大鼠實(shí)施安樂(lè)死后，收集其尾巴，去除尾巴外包圍的皮膚組織，使尾肌腱組織內(nèi)的膠原蛋白纖維暴露出來(lái)；小心去除與膠原蛋白黏附的肌肉、脂肪等組織；收集大鼠尾肌腱膠原蛋白，PBS清洗3次。收集的鼠尾肌腱即為天然肌腱組織（normal）。脫細(xì)胞肌腱組織（decellularized）經(jīng)以下處理：1%Triton X-100靜置處理48小時(shí)，PBS洗滌3次，每次30 min；再用含400 μg/L DNase和200 μg/L RNase的混合液處理 24 h，37℃水平震蕩，60 Hz，PBS洗滌3次，每次30 min。利用HE染色檢測(cè)組織內(nèi)細(xì)胞核殘余情況，利用試劑盒分別提取天然組織和脫細(xì)胞組織內(nèi)DNA，紫外分光光度計(jì)測(cè)量DNA濃度，并計(jì)算每g組織內(nèi)的DNA含量（μg），以μg/g為單位表示。

2.3.2 隨機(jī)肌腱ECM支架的制備 將脫細(xì)胞肌腱組織縱向切成長(zhǎng)度約5 cm的片段后，放入含有5顆研磨珠的2 mL離心管，置于液氮中30 s，然后用組織勻漿機(jī)研磨90 s（60 Hz）；經(jīng)此步驟后，肌腱呈絮狀；將絮狀肌腱基質(zhì)均勻平鋪在載玻片上，室溫下晾干后收集；使用前，修剪成1.5 cm×1.5 cm大小。利用體視顯微鏡和掃描電子顯微鏡觀察支架表面結(jié)構(gòu)。其他樣品經(jīng)伽馬射線滅菌后，無(wú)菌密封保存?zhèn)溆谩?/p>

2.4 BMSCs在隨機(jī)肌腱ECM支架上的活力檢測(cè)

2.4.1 Live/Dead染色 支架于生物安全柜中用無(wú)菌水浸泡過(guò)夜，風(fēng)干0.5 h。以4×103/cm2的密度將BMSCs種植在支架上，37℃、5%CO2條件下培養(yǎng)3 h。待細(xì)胞充分粘附在支架上后，沿壁緩慢補(bǔ)加3 mL培養(yǎng)基，每48 h更換培養(yǎng)基。培養(yǎng)1、3、7和14 d后，將支架小心轉(zhuǎn)移至新的24孔板中，PBS小心清洗；加入2 mL Live/Dead染色工作液，覆蓋支架表面，于37℃細(xì)胞培養(yǎng)箱中孵育30 min，PBS清洗2次，激光共聚焦掃描顯微鏡觀察細(xì)胞活力和形態(tài)。

2.4.2 CCK8法檢測(cè)細(xì)胞活力 將BMSCs按上述方法分別接種在24孔板（對(duì)照組，control group）和隨機(jī)肌腱ECM支架（實(shí)驗(yàn)組，random group）上，每孔板和支架上的接種細(xì)胞數(shù)為9 000個(gè)。培養(yǎng)1、3和7 d時(shí)，每孔加入2 mL含10%（體積分?jǐn)?shù)）CCK8的完全培養(yǎng)基，于37℃細(xì)胞培養(yǎng)箱中孵育2 h，然后吸取200 μL孵育液，加入96孔板中，用酶標(biāo)儀在450 nm波長(zhǎng)下檢測(cè)各孔吸光度（A）。

2.5 RT-qPCR檢測(cè) 將BMSCs以1×105/cm2的密度種植在不含支架的24孔板（對(duì)照組，control group）和隨機(jī)肌腱ECM支架上（實(shí)驗(yàn)組，random group）上。培養(yǎng)14 d后，將隨機(jī)ECM支架轉(zhuǎn)移至新的24孔板中，PBS清洗2次；加入2 mL胰酶，37℃下消化5 min，鏡下觀察到有脫落的圓形細(xì)胞時(shí)，加入6 mL培養(yǎng)基中和，然后利用培養(yǎng)基清洗支架3次，收集所有液體；2 000 r/min離心5 min，去上清；使用RNeasy Plus Mini Kit提取BMSCs總RNA，逆轉(zhuǎn)錄獲得cDNA，利用real-time PCR技術(shù)檢測(cè)肌腱標(biāo)志物I型膠原蛋白（collagen type I，Col I）、肌腱特異轉(zhuǎn)錄因子scleraxis（SCX）及成骨標(biāo)志物堿性磷酸酶（alkaline phosphatase，ALP）和Runt相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子2（Runt-related transcription factor 2，RUNX2）的mRNA表達(dá)水平。所用引物序列如表1所示。GAPDH作為內(nèi)參照，通過(guò)2-ΔΔCt法計(jì)算各組mRNA的表達(dá)量。

表1 RT-qPCR實(shí)驗(yàn)的引物序列Table 1.The sequences of the primers for RT-qPCR

3 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

使用SPSS 14.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。數(shù)據(jù)以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差（mean±SD）表示，兩組間均數(shù)比較使用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)。以P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

結(jié) 果

1 BMSCs的鑒定

原代BMSCs培養(yǎng)至第4天時(shí)在倒置相差顯微鏡下進(jìn)行觀察，細(xì)胞呈紡錘形，貼壁生長(zhǎng)，并逐漸形成均一群落，見(jiàn)圖1A，與文獻(xiàn)報(bào)道BMSCs形態(tài)一致［4］。流式細(xì)胞術(shù)分析結(jié)果顯示，第2代BMCSs中間充質(zhì)細(xì)胞標(biāo)志物CD44和成纖維細(xì)胞標(biāo)志物CD90表達(dá)率分別為95.6%和99.5%，均大于95%；淋巴細(xì)胞標(biāo)志物CD45和內(nèi)皮細(xì)胞標(biāo)志物CD106表達(dá)率分別為3.25%和2.32%，均小于5%，見(jiàn)圖1B，證明分離純化的細(xì)胞是BMSCs。

2 肌腱組織脫細(xì)胞處理

HE染色結(jié)果顯示，經(jīng)過(guò)1%Triton X-100和DNase/RNase脫細(xì)胞處理后，肌腱組織內(nèi)細(xì)胞核顯著減少，見(jiàn)圖1A。此外，與天然肌腱組織（normal）相比，脫細(xì)胞處理組（decellularized）肌腱組織的DNA含量顯著降低（P＜0.05），從（481.7±15.8）μg/g顯著降至（31.0±3.8）μg/g，見(jiàn)圖2B。

Figure 1.The morphological observation and stemness identification of the BMSCs.A：the morphological observation of the BMSCs at passage 0（scale bar=100 μm）；B：flow cytometric analysis of the expression of mesenchymalstem cell marker CD44，fibroblast marker CD90，leukocyte marker CD45 and endothelial cell marker CD106 on BMSCs.圖1 BMSCs形態(tài)觀察及干性鑒定

Figure 2.Decellularization of rat tail tendons.A：HE staining of normal tendons and decellularized tendons（scale bar=50 μm）；B：cell DNA content in normal tendons and decellularized tendons.Mean±SD.n=6.*P＜0.05 vs normal group.圖2 肌腱組織脫細(xì)胞

3 隨機(jī)肌腱ECM支架的表面結(jié)構(gòu)表征

隨機(jī)肌腱ECM支架的制備過(guò)程如圖3A所示，其外觀圖和表面結(jié)構(gòu)如圖3B所示，材料表面結(jié)構(gòu)均勻，且觀察不到原有膠原纖維的有序結(jié)構(gòu)，膠原纖維呈無(wú)序排布。

4 BMSCs在隨機(jī)肌腱ECM支架上活力增強(qiáng)

Live/Dead染液將活細(xì)胞標(biāo)記為綠色，死細(xì)胞標(biāo)記為紅色。BMSCs在隨機(jī)肌腱ECM支架上培養(yǎng)1、3、7和14 d后，均未在支架表面檢測(cè)到死細(xì)胞；隨著培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng)，隨機(jī)肌腱ECM支架表面BMSCs數(shù)目逐漸增多，呈多邊形，細(xì)胞之間聯(lián)系密切；第14天，BMSCs充滿整個(gè)支架表面，見(jiàn)圖4A。CCK8結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)，與對(duì)照組相比，培養(yǎng)第7天BMSCs在隨機(jī)肌腱ECM支架上的活力顯著增強(qiáng)（P＜0.05），見(jiàn)圖4B。

5 BMSCs在隨機(jī)肌腱ECM支架上向成骨細(xì)胞分化

Figure 3.Preparation of random tendon ECM scaffolds（A）and their appearance，stereomicroscopic image（scale bar=100 μm）and SEM image（B）.圖3 隨機(jī)肌腱ECM支架的制備和表面結(jié)構(gòu)觀察

Figure 4.The viability of the BMSCs.A：BMSCs seeded on the random tendon ECM scaffolds at day 1，day 3，day 7 and day 14 were observed by fluorescence microscopy，with live cells stained green and dead cells stained red；B：the viability of the BMSCs at day 1，day 3 and day 7 was measured by CCK8 assay.Control：BMSCs seeded on the culture plate；random：BMSCs seeded on random tendon ECM scaffolds.Mean±SD.n=6.*P＜0.05 vs control group.圖4 BMSCs在隨機(jī)肌腱ECM支架上的活力增強(qiáng)

與單獨(dú)在24孔板中培養(yǎng)的BMSCs對(duì)照（control）組相比，BMSCs在隨機(jī)肌腱ECM支架（random）上培養(yǎng)14 d后，肌腱細(xì)胞標(biāo)志物Col I和SCX的表達(dá)量顯著下調(diào)（P＜0.05），而成骨標(biāo)志物ALP和RUNX2在隨機(jī)肌腱ECM支架上的表達(dá)量顯著上調(diào)（P＜0.05），見(jiàn)圖5。

討 論

脫細(xì)胞天然肌腱組織，被認(rèn)為是肌腱組織工程的理想支架材料，在肌腱組織工程和再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域受到廣泛重視［7］。目前常用的動(dòng)物肌腱組織取自兔、牛等，材料獲取周期長(zhǎng)。而大鼠來(lái)源充足，個(gè)體間差異較小，且尾肌腱材質(zhì)均一，取材簡(jiǎn)單，可有效提高實(shí)驗(yàn)效率。因此，本研究利用大鼠尾肌腱ECM作為基質(zhì)微環(huán)境，研究膠原纖維排列方式對(duì)BMSCs分化的影響，希望為修復(fù)肌腱損傷的組織工程提供所需生物材料。

Figure 5.Differentiation of BMSCs at day 14.Relative mRNA expression levels of tenocyte-related markers collagen type I（Col I）and scleraxis（SCX），and osteogenic markers alkaline phosphatase（ALP）and Runt-related transcription factor 2（RUNX2）were detected by RT-qPCR.Control：BMSCs seeded on the culture plate；random：BMSCs seeded on random tendon ECM scaffolds.Mean±SD.n=6.*P＜0.05 vs control group.圖5 BMSCs在隨機(jī)肌腱ECM支架上向成骨細(xì)胞分化

在應(yīng)用來(lái)源于動(dòng)物的肌腱組織作為支架材料時(shí)，首先要進(jìn)行脫細(xì)胞處理，以去除組織原本的細(xì)胞和表面抗原，降低免疫原性，但要保持其ECM結(jié)構(gòu)、組成及固有的生物力學(xué)特性，以保證肌腱ECM再細(xì)胞化后用于肌腱重建效果良好［8］。物理法、化學(xué)試劑處理法和生物試劑處理法是最常見(jiàn)的脫細(xì)胞方法。十二烷基硫酸鈉（sodium dodecyl sulfate，SDS）和Triton X-100被廣泛用于脫細(xì)胞處理［9］，其中SDS脫細(xì)胞能力強(qiáng)，但對(duì)組織損傷也較嚴(yán)重；Triton X-100較為溫和，但脫細(xì)胞效果不如SDS。使用這些化學(xué)物質(zhì)時(shí)，對(duì)于不同的組織，其使用濃度、處理時(shí)間以及其他物理或化學(xué)參數(shù)都要相應(yīng)地發(fā)生變化，很難設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)方案。在本研究中，大鼠尾肌腱組織經(jīng)1%Triton X-100處理48 h，DNase/RNase混合液處理24 h后，未觀察到殘余細(xì)胞核，組織內(nèi)殘留的DNA 含量小于 50 μg/g，符合脫細(xì)胞標(biāo)準(zhǔn)［10］，同時(shí)又保留了天然肌腱的物理結(jié)構(gòu)。

肌腱組織ECM的組成和膠原纖維排列方式為細(xì)胞接種、黏附、增殖和分化提供了理想的微環(huán)境［11］。文獻(xiàn)報(bào)道，經(jīng)脫細(xì)胞處理后，肌腱ECM中的蛋白聚糖（纖維調(diào)節(jié)蛋白、雙糖鏈蛋白聚糖）和生長(zhǎng)因子（TGF-β1、IGF-1、VEGF和CTGF）能妥善保存在組織內(nèi)［12］。在本研究中，我們制備了膠原纖維隨機(jī)排列的肌腱ECM支架，發(fā)現(xiàn)種植在支架上的BMSCs能夠維持較高的細(xì)胞活力，這可能與脫細(xì)胞肌腱支架中保留的蛋白聚糖和少量生長(zhǎng)因子有關(guān)。Zhang等［13］的研究也發(fā)現(xiàn)兔來(lái)源的肌腱干細(xì)胞在肌腱基質(zhì)上的增長(zhǎng)速度比在塑料培養(yǎng)皿上更快，這與我們的研究結(jié)果一致。我們?cè)谇捌谘芯恐欣么笫笪布‰熘苽淞思‰炷z原纖維定向排列的脫細(xì)胞肌腱ECM支架，發(fā)現(xiàn)種植在其上的BMSCs沿膠原纖維平行方向排列生長(zhǎng)［14］；在本研究中，我們利用勻漿機(jī)研磨制備膠原纖維隨機(jī)排列的肌腱ECM支架，發(fā)現(xiàn)種植在其上的BMSCs排列雜亂，并非平行排列生長(zhǎng)，這些結(jié)果均表明支架中膠原纖維的排列方式能夠影響種子細(xì)胞的排列和生物行為學(xué)。

肌腱ECM微環(huán)境的生物化學(xué)和生物物理信號(hào)，可以直接參與調(diào)控干細(xì)胞的生物學(xué)行為。據(jù)報(bào)道，纖維調(diào)節(jié)蛋白和雙糖鏈蛋白聚糖是構(gòu)成肌腱組織ECM的兩個(gè)關(guān)鍵成分，它們的缺失可能會(huì)導(dǎo)致種子細(xì)胞從成腱分化變?yōu)槌晒欠只?5］。此外，也有報(bào)道ECM微環(huán)境的表面形貌在調(diào)節(jié)干細(xì)胞行為中起重要作用［16］。另一個(gè)重要的微環(huán)境因素——基質(zhì)硬度已證明能決定干細(xì)胞命運(yùn)。Engler等［17］發(fā)現(xiàn)，在模仿大腦組織的柔軟基質(zhì)上，MSCs開(kāi)始顯示神經(jīng)元表型；在類(lèi)似橫紋肌硬度的中等基質(zhì)上，干細(xì)胞發(fā)育成肌細(xì)胞譜系；在類(lèi)似骨骼前體（類(lèi)骨質(zhì)）的堅(jiān)硬基質(zhì)上，干細(xì)胞分化為成骨細(xì)胞［18］。我們前期研究發(fā)現(xiàn)，定向肌腱ECM支架能促進(jìn)BMSCs向肌腱細(xì)胞進(jìn)行特異性分化［14］。而本研究發(fā)現(xiàn)，在隨機(jī)肌腱ECM支架上BMSCs肌腱細(xì)胞標(biāo)志物Col I和SCX的表達(dá)顯著下調(diào)，而成骨細(xì)胞標(biāo)志物ALP和RUNX2顯著上調(diào)，表明隨機(jī)肌腱ECM支架具有誘導(dǎo)BMSCs向成骨細(xì)胞分化的潛能。Liu等［10］發(fā)現(xiàn)定向肌腱ECM支架對(duì)干細(xì)胞成骨分化的誘導(dǎo)作用很弱；相反地，生長(zhǎng)在隨機(jī)肌腱ECM支架上的BMSCs中Kdm6b和Jmjd1c的表達(dá)水平上調(diào)，表明隨機(jī)ECM支架的表面形貌可以調(diào)控表觀遺傳基因的表達(dá)，增強(qiáng)參與成骨分化信號(hào)傳導(dǎo)途徑的激活。綜上所述，隨機(jī)肌腱ECM支架和定向肌腱ECM支架對(duì)BMSCs分化的不同誘導(dǎo)作用可能與肌腱ECM的生化成分、基質(zhì)硬度、基質(zhì)表面形貌等因素有關(guān)，但這些因素對(duì)干細(xì)胞分化的調(diào)控機(jī)制尚需進(jìn)一步研究。

本研究制備的膠原纖維隨機(jī)排列的肌腱ECM支架，能支持BMSCs黏附，增強(qiáng)BMSCs活力，并誘導(dǎo)BMSCs向成骨細(xì)胞分化，在韌帶/肌腱-骨連接的修復(fù)應(yīng)用中具有重大潛能。