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ox-LDL抑制大鼠骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的體外增殖和Oct-4表達(dá)*

2014-08-14 11:27:28呂鐵偉孫慧超劉玲娟吳曉云劉曉燕劉振國(guó)
重慶醫(yī)學(xué) 2014年14期
關(guān)鍵詞:內(nèi)皮骨髓預(yù)處理

呂鐵偉,孫慧超,張 蕾,劉玲娟,吳曉云,劉曉燕,朱 靜,劉振國(guó),田 杰△

(1.重慶醫(yī)科大學(xué)兒童醫(yī)院心血管內(nèi)科,重慶 400014;2.兒童發(fā)育疾病研究省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/兒科學(xué)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/重慶市兒童發(fā)育重大疾病診治與預(yù)防國(guó)際科技合作基地,重慶 400014;3.美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)醫(yī)學(xué)中心,哥倫布 43210)

大鼠骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(rat bone marrow mesenchymal stem cells,MSCs)是經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室純化的單一干細(xì)胞株,已經(jīng)被證明能夠誘導(dǎo)轉(zhuǎn)化為具有內(nèi)皮功能的成熟內(nèi)皮細(xì)胞[1],其可以作為以內(nèi)皮受損或功能失調(diào)為基礎(chǔ)病理改變的動(dòng)脈粥樣硬化和冠心病等心血管疾病的根治種子細(xì)胞。而氧化低密度脂蛋白(oxidized low density lipoprotein,ox-LDL)是導(dǎo)致動(dòng)脈粥樣硬化和冠心病等心血管疾病發(fā)生發(fā)展的重要因素,Oct-4(octamer binding transcription factor-4)是高表達(dá)于干細(xì)胞的八聚體轉(zhuǎn)錄因子,能夠維持干細(xì)胞自我更新的能力,而在干細(xì)胞定向分化的過(guò)程中表達(dá)逐漸減弱甚至消失,是當(dāng)前公認(rèn)的干細(xì)胞表面標(biāo)記之一。本文以MSCs為研究對(duì)象,擬在MSCs體外培養(yǎng)過(guò)程中加入ox-LDL進(jìn)行干預(yù),明確其對(duì)MSCs增殖能力和Oct-4表達(dá)情況的影響及可能機(jī)制。

1 材料與方法

1.1 材料 MSCs為俄亥俄州立大學(xué)醫(yī)學(xué)中心劉振國(guó)實(shí)驗(yàn)室分離和提純的細(xì)胞株,細(xì)胞培養(yǎng)體系包括低糖DMEM培養(yǎng)液(Gibco)、MCDB、ITS、LA-BSA、L-ascorbic acid、EGF(均購(gòu)自Sigma)、PDGF(R&D Systems)、β-Mercaptoethanol(Fisher公司)、LIF(Esgro公司)和青/鏈霉素(Cellgro公司),ox-LDL及天然低密度脂蛋白(native low density lipoprotein,nLDL)為俄亥俄州立大學(xué)醫(yī)學(xué)中心Sam′s實(shí)驗(yàn)惠贈(zèng),蛋白免疫印跡法(West blot)檢測(cè) Oct-4、Bcl-2相關(guān)試劑及抗氧化劑乙酰半胱氨酸(N-acetylcycteine,NAC)購(gòu)自Santa Cruz公司。

1.2 方法

1.2.1 MSCs培養(yǎng)傳代 本研究將MSCs以100~200/cm2的密度接種于玻璃培養(yǎng)皿中,置入37℃、5%CO2和5%O2的孵箱中培養(yǎng),一般2~3h細(xì)胞即貼壁生長(zhǎng),細(xì)胞培養(yǎng)24~48h后在細(xì)胞相互接觸之前,采用胰酶消化傳代細(xì)胞,每個(gè)培養(yǎng)皿中加入胰酶1mL消化細(xì)胞,收集細(xì)胞于10mL試管中,4℃1500r/min離心,培養(yǎng)基混懸細(xì)胞,計(jì)數(shù),以低密度(100~200/cm2)接種于新的培養(yǎng)皿放入孵箱繼續(xù)培養(yǎng)備用。

1.2.2 ox-LDL影響細(xì)胞增殖能力的檢測(cè) MSCs被分為4組:ox-LDL組,在培養(yǎng)基中加入不同濃度(1、5、10、20μg/mL)的ox-LDL;ox-LDL+NAC組,采用抗氧化劑 NAC預(yù)處理后再在培養(yǎng)基中加入ox-LDL;陰性對(duì)照組,在培養(yǎng)基中加入相對(duì)應(yīng)濃度的nLDL;對(duì)照組,MSCs放在正常培養(yǎng)不加其他任何干預(yù)因素;ox-LDL組分別在培養(yǎng)基加入終濃度分別為1、5、10、20μg/mL的ox-LDL;nLDL組則加入與ox-LDL相對(duì)應(yīng)濃度的nLDL;在細(xì)胞培養(yǎng)的第12、24和48小時(shí)收集3組細(xì)胞,計(jì)數(shù)并繪制生長(zhǎng)曲線,每實(shí)驗(yàn)組要求的樣本量分別為3個(gè)。

1.2.3 檢測(cè)細(xì)胞凋亡相關(guān)蛋白Bcl-2及Oct-4的表達(dá) 采用蛋白提取試劑盒提取不同時(shí)間點(diǎn)細(xì)胞總蛋白,分光光度計(jì)測(cè)定蛋白濃度,按照蛋白印跡技術(shù)檢測(cè)Bcl-2和Oct-4的表達(dá),首先進(jìn)行變性十二烷基硫酸鈉-聚丙稀酰胺凝膠電泳(SDSPAGE),放入電轉(zhuǎn)系統(tǒng)恒流轉(zhuǎn)膜2h后,5%脫脂奶粉室溫封閉1h,封閉結(jié)束后加入相對(duì)應(yīng)的一抗于4℃孵育過(guò)夜,TBST洗膜后加二抗(辣根過(guò)氧化物酶標(biāo)記的與一抗相對(duì)應(yīng)的種屬特異性二抗)室溫震蕩孵育1h,TBST洗膜后加入化學(xué)發(fā)光劑室溫孵育3min,暗室中進(jìn)行定影顯影,采用凝膠圖形分析軟件對(duì)特異性條帶進(jìn)行灰度掃描和定量分析,蛋白的灰度值用內(nèi)參GAPDH進(jìn)行校正。

1.2.4 氧化活性產(chǎn)物(ROS)檢測(cè) 采用電子順磁震蕩(EPR)技術(shù)檢測(cè)各組培養(yǎng)基中ROS的含量。首先收集細(xì)胞計(jì)數(shù),使細(xì)胞濃度達(dá)到107/mL,每個(gè)樣本中抽取100μL細(xì)胞懸液加入EPR微小玻璃吸管中,再置于EPR儀器進(jìn)行檢測(cè),每個(gè)樣本重復(fù)進(jìn)行3次測(cè)定,描繪各組的EPR信號(hào),統(tǒng)計(jì)EPR信號(hào)強(qiáng)度并進(jìn)行對(duì)比。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理 采用SPSS15.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,曲線及直方圖采用Sigmaplot軟件繪制,計(jì)量資料以表示,組間比較采用t檢驗(yàn),以P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié) 果

2.1 細(xì)胞培養(yǎng)階段的形態(tài) 將 MSCs以低密度(100~200/cm2)接種培養(yǎng)在氧含量為5%的CO2孵箱中,大約2~3h后細(xì)胞全部貼壁,貼壁細(xì)胞在倒置顯微鏡下呈梭形、圓形或不規(guī)則形狀,細(xì)胞體積大,細(xì)胞核明顯,細(xì)胞間互不接觸,培養(yǎng)48h后細(xì)胞增殖明顯增加,幾乎鋪滿培養(yǎng)皿底部,細(xì)胞間形成接觸。

2.2 ox-LDL影響MSCs增殖能力的檢測(cè)結(jié)果 細(xì)胞培養(yǎng)皿底部面積約為53cm2,每個(gè)培養(yǎng)皿總接種細(xì)胞數(shù)約為(1~2)×104,加6mL基礎(chǔ)培養(yǎng)基進(jìn)行培養(yǎng),培養(yǎng)48h后細(xì)胞數(shù)量約擴(kuò)增為4×105個(gè),大約擴(kuò)增20倍,傳代后細(xì)胞仍保持同樣的擴(kuò)增能力。細(xì)胞生長(zhǎng)曲線結(jié)果顯示ox-LDL對(duì) MSCs增殖的抑制作用與培養(yǎng)時(shí)間和干預(yù)濃度呈正相關(guān):與正常培養(yǎng)細(xì)胞相比,濃度為1μg/mL的ox-LDL使 MSCs增殖速度稍有降低,但差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05),而濃度為5μg/mL和10μg/mL時(shí)則導(dǎo)致 MSCs的增殖速度明顯減弱(5μg/mL時(shí)P<0.05,10 μg/mL 時(shí) P <0.01),其 中,10μg/mL 及20μg/mL在培養(yǎng)的不同時(shí)間點(diǎn)細(xì)胞數(shù)量增加極少,到48h細(xì)胞增加的量不到初始接種濃度的1倍,見(jiàn)圖1,而nLDL組細(xì)胞增殖未受影響(結(jié)果未顯示),NAC預(yù)處理后提高了 MSCs的數(shù)量,但在ox-LDL濃度為10、20μg/mL時(shí)提升效率不明顯,差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05),而在5μg/mL時(shí),NAC預(yù)處理后大大增加了MSCs的數(shù)量(P<0.05),見(jiàn)圖2。

2.3 不同濃度ox-LDL引起細(xì)胞凋亡及對(duì)Bcl-2表達(dá)水平的影響 在MSCs體外培養(yǎng)過(guò)程中,與原代培養(yǎng)的細(xì)胞相比,高濃度的ox-LDL明顯抑制MSCs的增殖,顯微鏡下觀察細(xì)胞數(shù)量明顯減少,大部分細(xì)胞已破碎且失去了細(xì)胞完整的結(jié)構(gòu),見(jiàn)圖3;采用Western blot觀察ox-LDL干預(yù)后不同實(shí)驗(yàn)組Bcl-2表達(dá)情況發(fā)現(xiàn),與對(duì)照組比較,用10μg/mL及以上濃度的ox-LDL進(jìn)行干預(yù)后的細(xì)胞抗細(xì)胞凋亡蛋白Bcl-2幾乎沒(méi)有出現(xiàn)表達(dá),NAC預(yù)處理后則出現(xiàn)Bcl-2的表達(dá),但表達(dá)量與對(duì)照組比,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05,具體數(shù)據(jù)未顯示),見(jiàn)圖4。

圖1 各濃度ox-LDL對(duì)MSCs增殖的影響

圖2 抗氧化劑NAC對(duì)ox-LDL處理后MSCs增殖的逆轉(zhuǎn)作用

圖3 原代培養(yǎng)傳代前(左)和ox-LDL干預(yù)后(右)細(xì)胞形態(tài)的改變(×100)

2.4 ox-LDL對(duì)干細(xì)胞表面標(biāo)記Oct-4表達(dá)水平的影響 本實(shí)驗(yàn)采用 Western blot觀察ox-LDL對(duì)Oct-4表達(dá)水平的影響,在細(xì)胞體外培養(yǎng)24h,分別提取濃度為5μg/mL的ox-LDL組和對(duì)照組細(xì)胞蛋白進(jìn)行檢測(cè),結(jié)果發(fā)現(xiàn)5μg/mL ox-LDL組Oct-4的表達(dá)明顯減弱,表達(dá)相對(duì)量?jī)H為對(duì)照組的14%左右,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01,具體數(shù)據(jù)未顯示),見(jiàn)圖5,10μg/mL及以上濃度的ox-LDL干預(yù)后Oct-4的表達(dá)更減弱,僅有極微量的表達(dá)(結(jié)果沒(méi)有顯示),而NAC預(yù)處理后Oct-4的表達(dá)量恢復(fù)接近正常,約為79%。而nLDL組Oct-4的表達(dá)卻沒(méi)有受到明顯影響。

圖4 不同實(shí)驗(yàn)組Bcl-2的表達(dá)

2.5 NAC阻止ox-LDL來(lái)源的ROS的產(chǎn)生 EPR技術(shù)檢測(cè)不同實(shí)驗(yàn)組培養(yǎng)體系中ROS的形成情況,結(jié)果顯示對(duì)照組沒(méi)有出現(xiàn)EPR信號(hào),5μg/mL ox-LDL組則出現(xiàn)典型的EPR信號(hào),而ox-LDL+NAC組中則沒(méi)有檢測(cè)到EPR信號(hào)(圖6);ROS的產(chǎn)生具有時(shí)間依賴性,當(dāng)ox-LDL干預(yù)MSCs時(shí)培養(yǎng)體系中即刻就出現(xiàn)EPR信號(hào),信號(hào)表達(dá)的強(qiáng)度在ox-LDL干預(yù)后60s達(dá)到最高峰,以后穩(wěn)定在高水平狀態(tài)(圖6B);同樣ROS的產(chǎn)生是劑量依賴型的,正常培養(yǎng)的細(xì)胞體系幾乎檢測(cè)不到EPR信號(hào),而加入ox-LDL干預(yù)后的細(xì)胞體系EPR信號(hào)強(qiáng)度明顯增加,且隨著ox-LDL干預(yù)濃度的增加,EPR信號(hào)強(qiáng)度相應(yīng)增加,但是培養(yǎng)體系經(jīng)抗氧化劑NAC預(yù)處理5min后,即便再加入ox-LDL干預(yù),細(xì)胞培養(yǎng)體系中EPR信號(hào)強(qiáng)度則明顯減弱接近正常細(xì)胞水平(圖6C),而nLDL組則沒(méi)有類似現(xiàn)象,說(shuō)明培養(yǎng)體系中ROS的產(chǎn)生來(lái)源于ox-LDL,且ROS產(chǎn)生量與ox-LDL的濃度和作用時(shí)間呈正相關(guān),但抗氧化劑NAC預(yù)處理后可以完全阻止ox-LDL來(lái)源的ROS的產(chǎn)生。

圖5 不同組別Oct-4的表達(dá)情況

圖6 不同組別活性氧產(chǎn)物ROS形成的檢測(cè)結(jié)果

3 討 論

大鼠骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞作為成體干細(xì)胞的一種,具有自我更新和多向分化的特點(diǎn),其存在于骨髓基質(zhì)中,含量極低(0.1‰),但在體外擴(kuò)增容易,適宜條件下自身數(shù)量能夠迅速增加,另外骨髓基質(zhì)是低氧環(huán)境(小于7%),該環(huán)境能夠維持細(xì)胞的無(wú)限增殖和自我更新的能力,體外低氧條件下培養(yǎng)能最大限度發(fā)揮細(xì)胞的生物學(xué)特性[2-3]。而體外培養(yǎng)的骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞混雜有少量如成纖維細(xì)胞等其他細(xì)胞群體,這種混雜細(xì)胞群體會(huì)影響研究的準(zhǔn)確性和單一性,因此,本實(shí)驗(yàn)所采用的MSCs為俄亥俄州立大學(xué)醫(yī)學(xué)中心實(shí)驗(yàn)室分離和提純的細(xì)胞株,被認(rèn)為是單一的干細(xì)胞株,經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)該細(xì)胞群陽(yáng)性表達(dá)Oct-4,Rex-1,c-Kit和 Pdgfr-α,而細(xì)胞表面標(biāo)記 Sca-1,CD34,CD45,Sox-2和 Nanog的表達(dá)卻為陰性[3];Oct-4屬 POU 家族蛋白,是一類在動(dòng)物早期胚胎發(fā)育過(guò)程中起重要作用的轉(zhuǎn)錄因子,能夠維持干細(xì)胞的全能性及未分化狀態(tài)[4]。Oct-4蛋白的主要結(jié)構(gòu)特征為具有POU家族特有的保守結(jié)構(gòu)域(POUs)和POU同源異型結(jié)構(gòu)域(POUHD),這兩個(gè)結(jié)構(gòu)域可與DNA上特定區(qū)域形成雙向結(jié)合,進(jìn)而對(duì)基因轉(zhuǎn)錄進(jìn)行調(diào)控[5]。本實(shí)驗(yàn)顯示 MSCs高表達(dá)Oct-4,當(dāng) MSCs受到ox-LDL干預(yù)時(shí)Oct-4的表達(dá)明顯降低,細(xì)胞的增殖能力顯著下降,進(jìn)一步證實(shí)Oct-4是維持干細(xì)胞的全能性及未分化狀態(tài)的關(guān)鍵因素之一。

內(nèi)皮遍及整個(gè)心血管系統(tǒng),主管血液運(yùn)輸、物質(zhì)交換和血管活性物質(zhì)的分泌等功能,內(nèi)皮的受損或功能失調(diào)導(dǎo)致動(dòng)脈粥樣硬化和冠心病等心血管事件的發(fā)生和發(fā)展[6],故內(nèi)皮正常功能的重建或內(nèi)皮再生是嚴(yán)重心血管事件未來(lái)治療的主攻方向。內(nèi)皮再生來(lái)源于循環(huán)內(nèi)皮祖細(xì)胞(EPCs),內(nèi)皮細(xì)胞受損或者破壞導(dǎo)致細(xì)胞數(shù)量減少,可觸發(fā)循環(huán)EPCs的成熟過(guò)程,最后EPCs分化為內(nèi)皮細(xì)胞來(lái)彌補(bǔ)其數(shù)量的不足從而維持心血管內(nèi)皮系統(tǒng)的正常功能,而EPCs來(lái)源于骨髓,其數(shù)量和功能與骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞狀態(tài)密切相關(guān);臨床上內(nèi)皮受損或功能失調(diào)導(dǎo)致動(dòng)脈粥樣硬化和冠心病等心血管疾病的發(fā)生,研究證實(shí)這些心血管疾病個(gè)體體內(nèi)EPCs的數(shù)量明顯減少[6-8],因此,推測(cè)可能是某些因素導(dǎo)致骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞分化受到抑制,繼而內(nèi)皮細(xì)胞的生成數(shù)量降低,從而促進(jìn)嚴(yán)重心血管事件的發(fā)生,因此,該過(guò)程中相關(guān)機(jī)制的闡明具有重大的臨床和社會(huì)意義,也是本研究實(shí)施的原始推動(dòng)力。

多種因素可以引起內(nèi)皮受損或功能失調(diào),脂代謝紊亂是一大誘因,高脂血癥導(dǎo)致內(nèi)膜受損,脂點(diǎn)脂紋形成,繼而出現(xiàn)纖維斑塊和粥樣斑塊。最后導(dǎo)致動(dòng)脈粥樣硬化和冠心病的形成,而ox-LDL和氧化應(yīng)激是這一過(guò)程的物質(zhì)和病理生理基礎(chǔ),但其作用機(jī)制尚不清楚。ox-LDL對(duì)靶細(xì)胞的作用因細(xì)胞類型不同而不同,并且這種作用機(jī)制復(fù)雜而多變,ox-LDL能夠促進(jìn)巨噬細(xì)胞和血管平滑肌細(xì)胞的增殖,抑制巨噬細(xì)胞及單核細(xì)胞的凋亡,但另一方面ox-LDL在抑制內(nèi)皮細(xì)胞和循環(huán)EPCs的增殖進(jìn)而促進(jìn)巨噬細(xì)胞和單核細(xì)胞的凋亡[9-10],最近文獻(xiàn)又證明ox-LDL同樣可以引起內(nèi)皮的受損[11],但受損的機(jī)制尚未闡明;ox-LDL另外一個(gè)重要的機(jī)制則是ROS的形成和氧化應(yīng)激。Ox-LDL能夠提供ROS的豐富來(lái)源,而ROS與組織氧化應(yīng)激和高血壓、動(dòng)脈粥樣硬化等心血管疾病的發(fā)生及進(jìn)展密切相關(guān),ROS和氧化應(yīng)激在對(duì)包括骨髓干細(xì)胞在內(nèi)的干細(xì)胞調(diào)控發(fā)揮重要作用[12-14]。

本研究結(jié)果是通過(guò)細(xì)胞的體外實(shí)驗(yàn)獲得的,但仍具有緊密的臨床相關(guān)性,最近的臨床研究顯示一個(gè)健康個(gè)體血清中ox-LDL的濃度為7μg/mL,而穩(wěn)定型冠心病患者血清ox-LDL水平則為17.2μg/mL,急性冠脈綜合征患者血清ox-LDL水平更是高達(dá)23.6μg/mL,本實(shí)驗(yàn)選取的 ox-LDL濃度(1~20μg/mL)在健康和患病個(gè)體的平均范圍之內(nèi)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)ox-LDL濃度是1μg/mL時(shí)對(duì)細(xì)胞形態(tài)和增殖沒(méi)有影響,但當(dāng)其濃度增加,出現(xiàn)了抑制作用,并且這種作用與濃度成劑量依賴性,這就提示ox-LDL在這些心血管事件的發(fā)生發(fā)展中起促進(jìn)作用,本實(shí)驗(yàn)中采用抗氧化劑NAC預(yù)處理來(lái)對(duì)抗ox-LDL對(duì)細(xì)胞的抑制作用,根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[13]選取濃度為1mM的NAC進(jìn)行實(shí)驗(yàn),結(jié)果顯示NAC能夠逆轉(zhuǎn)但不能夠完全恢復(fù)ox-LDL對(duì)MSCs的抑制作用,提示在該過(guò)程中還有其它因素參與其中,下一步作者擬通過(guò)體內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究ox-LDL對(duì)MSCs特性和內(nèi)皮分化的影響及其機(jī)制。

本研究明確ox-LDL能夠抑制 MSCs增殖和MSCs細(xì)胞表面標(biāo)記Oct-4的表達(dá),而抗氧化劑NAC卻能夠逆轉(zhuǎn)ox-LDL對(duì)MSCs的抑制作用,進(jìn)一步證實(shí)了ox-LDL可能通過(guò)氧化應(yīng)激方式抑制MSCs的增殖和細(xì)胞表面標(biāo)志的表達(dá),而抗氧化劑使氧化應(yīng)激水平降低甚至消退時(shí),ox-LDL對(duì)MSCs的抑制作用也隨之降低甚至消退。而研究顯示心血管疾病個(gè)體體內(nèi)EPCs的數(shù)量明顯減少[6-8],是否與其骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞分化受到抑制導(dǎo)致內(nèi)皮細(xì)胞的生成減少相關(guān)?而Ox-LDL是動(dòng)脈粥樣硬化和冠心病等心血管事件發(fā)生發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一,在本研究明確ox-LDL抑制MSCs生物學(xué)特性基礎(chǔ)上,擬通過(guò)進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其是否抑制MSCs的內(nèi)皮分化及其可能機(jī)制。

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