梁飛,諸凱,2,王雅博
(1天津商業(yè)大學(xué)天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津300134;2天津大學(xué)中低溫?zé)崮芨咝Ю媒逃恐攸c(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津300072)
冰溫保存技術(shù)[1-2]是一種新的生物低溫保存方法。冰溫是指從0 ℃開始到生物組織凍結(jié)溫度(即冰點(diǎn))為止的溫度區(qū)域,在這個(gè)溫度范圍內(nèi)保存細(xì)胞,細(xì)胞內(nèi)外都不產(chǎn)生冰晶[3-4]。與目前臨床醫(yī)學(xué)廣泛使用的生物冷凍保存方法相比,避開了冰晶對(duì)細(xì)胞造成傷害,而且有助于細(xì)胞機(jī)能的快速恢復(fù)。研究表明,當(dāng)降溫速率小到一定數(shù)值時(shí)[5],細(xì)胞內(nèi)的水分有足夠的時(shí)間能從細(xì)胞內(nèi)滲透出來,從而降低胞內(nèi)自由水含量,通過這種方法可以很好的抑制胞內(nèi)冰的產(chǎn)生,對(duì)細(xì)胞的低溫保存有促進(jìn)作用[6-7]。
通常情況下,細(xì)胞保存前都會(huì)添加低溫保護(hù)劑(cryoprotective agent,CPA),以有效的降低細(xì)胞冰點(diǎn)[8-10]。在加入一定濃度的CPA后,細(xì)胞膜內(nèi)外會(huì)出現(xiàn)滲透壓不平衡,導(dǎo)致水和CPA同時(shí)通過細(xì)胞膜進(jìn)出細(xì)胞,細(xì)胞體積也隨之改變,當(dāng)細(xì)胞體積變化超越細(xì)胞膜所能承受范圍,將會(huì)對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生不可逆的損傷,即滲透損傷。決定細(xì)胞形態(tài)變化的參數(shù)[11-12]主要有兩個(gè),細(xì)胞膜水滲透系數(shù)(Lp)和細(xì)胞膜 CPA的滲透系數(shù)(Ps)。對(duì)這兩個(gè)參數(shù)的研究有助于冰溫保存細(xì)胞技術(shù)的發(fā)展。
細(xì)胞膜對(duì)水分的滲透特性可以通過細(xì)胞體積隨外界環(huán)境(滲透壓)的變化來反映。研究表明,細(xì)胞膜腎表皮細(xì)胞的相變溫度在?5~?8 ℃,研究細(xì)胞冰溫保存過程,就應(yīng)在0 ℃附近溫度范圍中測定細(xì)胞膜的滲透特性。眾多研究者利用多種方法對(duì)細(xì)胞膜的滲透特性進(jìn)行了研究。Chen等[13]利用微型灌注設(shè)備,研究了鼠樹突細(xì)胞在二甲基亞砜溶液中的滲透系數(shù),得到了 22 ℃下水的滲透系數(shù)為 0.17 μm/(atm·min),CPA的滲透系數(shù)為0.63×10?3cm/min。Wang等[14]測量了4 ℃時(shí)牛卵母細(xì)胞在胚泡期和四分體時(shí)期的滲透參數(shù),分別為0.08 um/(atm·min)、0.0011 cm/min 和 0.14 um/(atm·min)、0.0029 cm/min。Liu等[15]測量了常溫時(shí)兔卵母細(xì)胞在二甲基亞砜、乙二醇和甘油溶液中的滲透參數(shù)。
本研究選取了–4 ℃為冰溫保存溫度,選?。ìF(xiàn)行臨床使用的)4 ℃和0 ℃為對(duì)照實(shí)驗(yàn),并稱其為常溫保存溫度。主要研究內(nèi)容是通過實(shí)驗(yàn)的方法測量腎臟表皮細(xì)胞的滲透特性,主要有細(xì)胞的等滲體積(Viso)、非滲透體積(Vb)、細(xì)胞膜對(duì)水的滲透系數(shù)(Lp)及其活化能(Ea),細(xì)胞膜對(duì)CPA的滲透系數(shù)(Ps)及其活化能(Ea),并且對(duì)細(xì)胞進(jìn)行長時(shí)間保存,對(duì)比細(xì)胞的存活率,找出最優(yōu)保存溫度。
儀器:光學(xué)顯微鏡,Olympus BX-51,日本;冷熱臺(tái)及控制系統(tǒng),Linkam THMS600,英國;CCD圖像采集裝置;細(xì)胞培養(yǎng)箱;安全柜;Innovatis CASY?TT,Roche,瑞士。
實(shí)驗(yàn)材料:DMEM培養(yǎng)基、小牛血清、雙抗、臺(tái)盼蘭染色劑、磷酸鹽緩沖液(PBS)、二甲基亞砜(DMSO)、乙二醇(EG)、丙三醇(GLY)。
實(shí)驗(yàn)所用細(xì)胞為 293T細(xì)胞,將細(xì)胞放入完全培養(yǎng)基(90%DMEM培養(yǎng)基、10%小牛血清、1%雙抗——除特殊說明,本文所提到的百分比均為體積分?jǐn)?shù))中生長,配置好后放入細(xì)胞培養(yǎng)箱中培養(yǎng),培養(yǎng)箱中保持溫度37 ℃、CO2體積分?jǐn)?shù)為5%的環(huán)境。待細(xì)胞培養(yǎng)成熟后,將培養(yǎng)皿取出,在安全柜中操作將培養(yǎng)液吸入離心管,以800 r/min的轉(zhuǎn)速離心5 min,然后利用血球計(jì)數(shù)板配置出4×105/mL細(xì)胞懸液。
1.2.1 圖像采集
細(xì)胞的精確控制溫度通過一套冷熱臺(tái)及其控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn),如圖1所示。左側(cè)a部分是該系統(tǒng)的控制部分,由冷熱臺(tái)(BCS-196)、CCD 圖像數(shù)字采集系統(tǒng)、溫度控制臺(tái)(Linksys32)和PC端成像軟件組成。樣品池放置在顯微鏡(Olympas BX51)載物臺(tái)上,可實(shí)現(xiàn)在–196~125 ℃范圍內(nèi)降溫和加熱,還可以實(shí)現(xiàn)以0.1~150 ℃/min的降溫/升溫速率精確控溫。該冷臺(tái)通過液氮流進(jìn)行降溫,通過電加熱進(jìn)行加熱,并且通過鉑電阻熱電偶對(duì)其溫度進(jìn)行監(jiān)測[16]。
圖1 冷熱臺(tái)及其控溫系統(tǒng)和細(xì)胞滲透原理圖
圖1右側(cè)b部分是細(xì)胞滲透原理的示意圖,為更清楚表達(dá)實(shí)驗(yàn)過程,將該部分的圖形比例擴(kuò)大表示,尤其是細(xì)胞的尺寸。如圖所示,載玻片和蓋玻片之間充滿細(xì)胞懸液,由于液體表面張力的作用,是兩玻片緊緊吸附,保證了玻片之間是單層細(xì)胞。高濃度的灌注液(冷凍保護(hù)液或 NaCl 溶液)從左側(cè)導(dǎo)入,灌注溶液的濃度高于細(xì)胞培養(yǎng)液的濃度,其濃度差是驅(qū)動(dòng)灌注液從左向右流動(dòng)的動(dòng)力,兩者混合后從右側(cè)流出平,最終細(xì)胞周圍溶液的濃度會(huì)達(dá)到灌注液的濃度,細(xì)胞在此過程中,形態(tài)會(huì)產(chǎn)生變化,通過正上方的鏡頭傳入a部分的計(jì)算機(jī)成像軟件[17-18]。
1.2.2 圖像處理方法
本研究通過顯微鏡觀察法測量細(xì)胞的體積,假設(shè)細(xì)胞為理想球體模型,通過上述系統(tǒng)可得到實(shí)驗(yàn)過程中的細(xì)胞圖片,通過測量細(xì)胞的二維投影面積,再經(jīng)過計(jì)算可以推斷細(xì)胞的體積。Image-Pro plus圖像分析軟件將細(xì)胞圖片處理成灰度不同的像素點(diǎn),在500倍鏡下,每個(gè)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的面積為0.138 μm×0.138 μm,通過對(duì)像素點(diǎn)計(jì)數(shù),可得到細(xì)胞的實(shí)際面積。每次選取3~5個(gè)細(xì)胞,測量3次,求平均值。低溫顯微鏡得到的二維投影面積與體積的關(guān)系如式(1)。
1.2.3 細(xì)胞非滲透體積Vb的計(jì)算
將滲透壓濃度為118 Osmoles/kg、185 Osmoles/kg、260 Osmoles/kg、302 Osmoles/kg、670 Osmoles/kg、863 Osmoles/kg、1349 Osmoles/kg、1583 Osmoles/kg、1741 Osmoles/kg、2252 Osmoles/kg、2682 Osmoles/kg、2800 Osmoles/kg、3186 Osmoles/kg 的 NaCl溶液,按上述方法進(jìn)行細(xì)胞滲透試驗(yàn)。細(xì)胞分別會(huì)對(duì)以上溶液呈現(xiàn)出不同的相應(yīng),最終細(xì)胞的內(nèi)外溶液會(huì)達(dá)到滲透平衡,細(xì)胞體積的變化過程由圖像采集系統(tǒng)記錄下來,其最終的平衡體積Veq可以表述為Boyle van’t Hoff關(guān)系式[19],如式(2)。
式中,Viso為細(xì)胞在等滲溶液中(即滲透壓為Miso,mmol/kg)的體積,一般取細(xì)胞的初始體積,μm3;Veq為細(xì)胞在滲透壓為M的溶液中的平衡體積,μm3;Vb為細(xì)胞的非等滲體積,μm3。
從式(2)可以看出,細(xì)胞的相對(duì)體積Veq/Viso與溶液的相對(duì)滲透壓M/Miso的倒數(shù)呈線性關(guān)系,將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作圖并進(jìn)行線性擬合,可以得到直線在y軸的截距即為細(xì)胞的非滲透體積比Vb/Viso。
1.2.4 細(xì)胞膜滲透參數(shù)(Lp、Ps)的測定
當(dāng)溶液中只有非滲透性溶質(zhì)(如NaCl)存在時(shí),水的滲透系數(shù)可以利用一個(gè)描述水分傳輸率的微分方程得到,如式(3)。
在有可滲透性溶質(zhì)(CPA)、不可滲透性溶質(zhì)(NaCl)和溶劑(H2O)共存的三元溶液中,水的傳輸和CPA的滲透同時(shí)存在并且相互影響,可采用兩參數(shù)模型(The two-parameter model)[20-21]來描述作為細(xì)細(xì)胞膜傳輸動(dòng)力模型,模型由一對(duì)耦合的微分方程組成,式(4)表示細(xì)胞體積隨時(shí)間的變化,式(5)表示胞內(nèi)可滲透性溶質(zhì)(CPA)的物質(zhì)的量隨時(shí)間的變化。
其中,Vs(t)與Ns(t)的關(guān)系如式(6)。
Lp、Ps的值可以通過將高滲CPA溶液灌注入細(xì)胞懸液后所獲取的細(xì)胞體積變化數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘曲線擬合得到。
1.2.5 活化能Ea的計(jì)算
通過上面分析,Lp、Ps可以通過分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到,同時(shí),Lp、Ps所對(duì)應(yīng)的活化能可以用阿倫尼烏斯關(guān)系式[22][式(7)]表示。
式中,P為細(xì)胞膜的滲透參數(shù)(Lp或Ps);P0為在參照溫度下的值。
對(duì)式(7)取自然對(duì)數(shù),整理得式(3)。
由此可知,ln(P)是關(guān)于1/T的方程,將計(jì)算值與溫度值做線性擬合,其斜率為?Ea/R,由此可以得到活化能的值。
1.2.6 細(xì)胞存活率實(shí)驗(yàn)
為了研究冰溫保存細(xì)胞的效果,將不同的冷凍保護(hù)劑加入細(xì)胞懸液中,放入冰溫庫進(jìn)行長時(shí)間保存,利用細(xì)胞計(jì)數(shù)分析儀 Innovatis CASY?TT(Roche)檢驗(yàn)細(xì)胞的存活率。
將細(xì)胞濃度為 4×105/mL的細(xì)胞懸液配置好之后,分別進(jìn)行以下兩組實(shí)驗(yàn):①向細(xì)胞懸液加入15%的DMSO試劑,分別放入不同的環(huán)境溫度中(4 ℃、0 ℃、–4 ℃),每12 h記錄一次存活率,到48 h為止。②向細(xì)胞懸液中分別加入15%不同種類的低溫保護(hù)劑二甲基亞砜(DMSO)、乙二醇(EG)、甘油(GLY),并放置于–4 ℃的環(huán)境溫度中,每12 h記錄一次存活率,到48 h為止。
當(dāng)細(xì)胞在高滲溶液中時(shí),細(xì)胞內(nèi)水分外流,體積發(fā)生皺縮,當(dāng)細(xì)胞內(nèi)外滲透壓相等時(shí),細(xì)胞體積達(dá)到滲透平衡。在常溫下,記錄細(xì)胞在不同滲透壓NaCl溶液內(nèi)的滲透平衡過程的圖像,利用上述圖像處理方法對(duì)不同滲透壓下的平衡體積進(jìn)行處理。首先,測量細(xì)胞在等滲溶液中的體積,通過多次觀察統(tǒng)計(jì),腎表皮細(xì)胞的平均等滲體Viso=2472.58 μm3。然后,測定細(xì)胞在不同滲透環(huán)境中平衡后的體積數(shù)據(jù),得到腎表皮細(xì)胞隨滲透壓變化規(guī)律,如圖2所示,并進(jìn)行最小二乘法線性擬合,得到Boyle van’t Hoff曲線,并且外延該直線至無限大濃度,即圖2中y軸截距位置,可以得到細(xì)胞的非滲透體積Vb=0.22Viso,即Vb=543.9676 μm3,其擬合系數(shù)r2=0.96175。
細(xì)胞在高滲的 NaCl溶液中,在胞內(nèi)外滲透壓差的作用下,水分會(huì)通過細(xì)胞膜流出細(xì)胞。而 Na離子進(jìn)出細(xì)胞需要消耗能量,它對(duì)細(xì)胞膜來說是一種非滲透性溶質(zhì),因此只有水分子通過細(xì)胞膜,如圖3所示,在75 s以后,細(xì)胞體積下降到0.45Vb左右保持滲透平衡,在一定范圍內(nèi)保持穩(wěn)定。這說明在整個(gè)滲透過程中只有水分進(jìn)出,而 Na離子未轉(zhuǎn)移。將細(xì)胞變化圖片在軟件中進(jìn)行處理,得到細(xì)胞體積隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù),利用Matlab(MathWorks,美國)軟件進(jìn)行處理,根據(jù)式(3)采用Levenberg-Marquard法進(jìn)行曲線擬合,可得到水的滲透系數(shù)Lp,如表1列出了3種低溫保護(hù)劑在不同溫度時(shí)的滲透參數(shù)值。
圖2 腎表皮細(xì)胞的Boyle van’t Hoff關(guān)系曲線
圖3 細(xì)胞在NaCl溶液中時(shí)體積隨時(shí)間的變化曲線
圖4左圖顯示的是初始時(shí)刻,0 ℃時(shí)細(xì)胞在15%的二甲基亞砜溶液中的圖像,右圖顯示的是左圖方框中細(xì)胞在0~300 s內(nèi),各個(gè)時(shí)間點(diǎn)的體積變化圖像,通過Image-Pro plus軟件處理可得到細(xì)胞體積的數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)可以得到細(xì)胞在二甲基亞砜溶液中的體積變化曲線,如圖5和圖6所示。在50 s附近時(shí),細(xì)胞體積降到最小值,在以后的時(shí)間內(nèi),細(xì)胞體積逐漸上升,該圖與圖3相比有很大區(qū)別。很顯然在50 s前,細(xì)胞外溶液滲透壓大于胞內(nèi),水分從細(xì)胞內(nèi)流出,細(xì)胞體積急劇減小,在50 s左右達(dá)到平衡;在50 s之后,隨著二甲基亞砜分子逐漸進(jìn)入細(xì)胞,水分重新回到了細(xì)胞內(nèi),因此細(xì)胞體積有所回升。將細(xì)胞體積變化數(shù)據(jù),根據(jù)式(4)~式(6)利用 Levenberg–Marquard方法進(jìn)行曲線擬合,可得到水的滲透系數(shù)Lp和DMSO的滲透系數(shù)Ps,數(shù)據(jù)見表1。
表1 腎細(xì)胞在不同低溫保護(hù)劑中的滲透參數(shù)
圖4 15%的DMSO溶液中細(xì)胞圖像
圖6 –4 ℃時(shí)細(xì)胞體積變化曲線
圖5是在0 ℃、4 ℃和–4 ℃下,細(xì)胞在15%的二甲基亞砜溶液中的體積變化曲線。觀察可知,細(xì)胞體積變化趨勢一致,都是細(xì)胞體積先急劇減小,然后逐漸變大。但是,在同一時(shí)間點(diǎn)上溫度越低,細(xì)胞體積越大。同時(shí),隨溫度的降低,細(xì)胞皺縮到最小體積的時(shí)間越長,這個(gè)最小體積也隨溫度的降低而增大。這是由于溫度對(duì)低溫保護(hù)劑的滲透系數(shù)影響所造成的,觀察表1的數(shù)據(jù)可知,二甲基亞砜的Lp和Ps值均隨溫度的下降而減小,說明水和二甲基亞砜的滲透能力均隨溫度的下降而降低,尤其是在–4 ℃時(shí),Lp和Ps值均比零上溫度低一個(gè)數(shù)量級(jí),這正說明了滲透參數(shù)受溫度影響嚴(yán)重。
圖6是細(xì)胞在二甲基亞砜、乙二醇和甘油溶液中的體積變化曲線,觀察曲線可知,三者曲線變化趨勢一致,在同一時(shí)間點(diǎn)上,甘油的體積最大,二甲基亞砜和乙二醇的體積相差不大。甘油的曲線下降的最慢,最小體積也是三者中最大的,二甲基亞砜和乙二醇的曲線比較相似,根據(jù)表1數(shù)據(jù)可知,二甲基亞砜和乙二醇在各個(gè)溫度的滲透參數(shù)都比較接近,而甘油的滲透參數(shù)小于上述兩者,可見甘油的滲透能力最下小。
圖7顯示的是細(xì)胞在二甲基亞砜溶液中測得的水的滲透系數(shù)Lp與絕對(duì)溫度T的倒數(shù)關(guān)系圖,對(duì)其進(jìn)行最小二乘法線性擬合,根據(jù)式(8)可以計(jì)算得到細(xì)胞對(duì)水的活化能。利用同樣方法可得到其他CPA中活化能的數(shù)據(jù),見表2。
在經(jīng)過冰溫保存過程中,細(xì)胞的質(zhì)量會(huì)隨著時(shí)間逐漸下降,細(xì)胞活性逐漸降低,直至變?yōu)樗兰?xì)胞,一般認(rèn)為,當(dāng)活細(xì)胞的存活率下降到50%以下時(shí),生存環(huán)境惡化,組織將壞死。
圖7 腎細(xì)胞對(duì)水的滲透系數(shù)的阿侖尼烏斯圖
表2 腎細(xì)胞的活化能
圖8 不同溫度下腎細(xì)胞存活率曲線
通過上述方法,利用細(xì)胞計(jì)數(shù)分析儀Innovatis CASY?TT對(duì)冰溫保存的細(xì)胞進(jìn)行計(jì)數(shù)測量,得到細(xì)胞存活率數(shù)據(jù)。由圖8可見,細(xì)胞在36 h之前,曲線小幅度平穩(wěn)下降,說明細(xì)胞在這段時(shí)間沒有經(jīng)歷太大變化,依舊保持活性;在36 h之后, 曲線出現(xiàn)大幅下降,說明細(xì)胞開始出現(xiàn)大量的壞死,在達(dá)到72 h的時(shí)候,存活率均低于50%,已經(jīng)不能在進(jìn)行培養(yǎng)。觀察可知,0 ℃曲線在各個(gè)時(shí)間點(diǎn)基本都高于其他曲線,?4 ℃曲線的次之,4 ℃曲線最低,這說明相對(duì)其他兩個(gè)溫度來說,0 ℃的環(huán)境對(duì)細(xì)胞保存最有益,最佳保存溫度在0~?4 ℃之間。圖9顯示了0 ℃時(shí)細(xì)胞在3種低溫保護(hù)劑中保存后存活率的曲線,其變化趨勢與圖8的趨勢相似,同樣說明在36 h之前,細(xì)胞生長良好,能保持很高的活性,在36 h之后,細(xì)胞出現(xiàn)大量壞死。同時(shí),3種冷凍保護(hù)劑中,甘油的曲線高于其他兩曲線,在36 h之前,二甲基亞砜的曲線和甘油的曲線非常相似,乙二醇的曲線最低,這說明針對(duì)腎臟表皮細(xì)胞而言,3種低溫保護(hù)劑對(duì)甘油和二甲基亞砜的保護(hù)作用較好,乙二醇相對(duì)較差。
本文利用顯微數(shù)字圖像采集系統(tǒng),在冰溫溫度和常溫溫度下,對(duì)腎臟表皮細(xì)胞的滲透過程進(jìn)行了研究。觀察了細(xì)胞在非等滲環(huán)境中的滲透響應(yīng),得到了細(xì)胞的等滲體積Viso=2472.58 μm3,非滲透體積Vb=543.9676 μm3。并且根據(jù)細(xì)胞在CPA溶液中的滲透過程,得出了細(xì)胞膜對(duì)水的滲透系數(shù)(Lp)及細(xì)胞膜對(duì) CPA的滲透系數(shù)(Ps)。最后進(jìn)行保存,利用細(xì)胞計(jì)數(shù)分析儀測量了細(xì)胞存活率隨時(shí)間變化趨勢。得出如下結(jié)論。
圖9 0 ℃時(shí)不同保護(hù)劑中細(xì)胞存活率曲線
(1)通過對(duì)比低溫保護(hù)劑在不同溫度下滲透系數(shù)的數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)滲透系數(shù)受溫度影響較大,隨著溫度的減小,滲透系數(shù)逐漸小,其滲透能力也相應(yīng)降低,即細(xì)胞在冰溫環(huán)境下的滲透系數(shù)低于常溫下的滲透系數(shù)。
(2)通過觀察細(xì)胞在不同溫度下的保存狀況,發(fā)現(xiàn)腎表皮細(xì)胞的最佳保存溫度范圍在 0~?4 ℃之間,即細(xì)胞的冰溫保存效果比現(xiàn)行臨床常用的4~0 ℃范圍的保存效果更好。同時(shí)根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),即使在精確控溫的冰溫庫中保存的細(xì)胞,保存時(shí)間不宜超過36 h,超過以后細(xì)胞質(zhì)量急劇下降,影響細(xì)胞功能。因此在實(shí)際臨床應(yīng)用上,保存時(shí)間更不宜超過24 h為好。
(3)通過觀察細(xì)胞在不同類型低溫保護(hù)劑中的保存情況,發(fā)現(xiàn)在36 h內(nèi),甘油、二甲基亞砜、乙二醇3種低溫保護(hù)劑的保存效果,依次降低,但是三者的保存效果相差不大。
符 號(hào) 說 明
A——細(xì)胞投影面積,μm2
Ea——活化能,kcal/mol
Lp——水對(duì)細(xì)胞膜的滲透系數(shù),μm/(atm·min)
M——摩爾滲透壓濃度,Osmoles/kg
m——質(zhì)量摩爾濃度,mol/kg
N——物質(zhì)的量,mol
Ps——CPA對(duì)細(xì)胞膜的滲透系數(shù),cm/min
R——?dú)怏w常數(shù),kcal/(mol·K)
T——絕對(duì)溫度,K
t——時(shí)間,s
V——細(xì)胞體積,μm3
Vb——非滲透體積,μm3
下角標(biāo)
c——總數(shù)
w——水
s——分滲透性溶質(zhì)
n——滲非透性溶質(zhì)
o——初始值
上角標(biāo)
e——細(xì)胞外
i ——細(xì)胞內(nèi)
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