秦子順 殷麗華 王開(kāi)娟 劉琪 程文曉 高鵬 孫可墨 鐘梅 余占海
蘭州大學(xué)口腔醫(yī)院修復(fù)科,蘭州 730000
牙周病是一類(lèi)發(fā)生在牙周組織的慢性感染性疾病,其治療以實(shí)現(xiàn)牙周組織的完全再生,恢復(fù)牙齦、牙周膜、牙槽骨和牙骨質(zhì)的正常生理功能為最終目標(biāo)[1],但是目前牙周組織缺損一直未能得到完全有效的再生。近年來(lái),組織工程技術(shù)迅猛發(fā)展,為牙周病的治療帶來(lái)了新的希望。牙周組織工程包括生長(zhǎng)因子、支架材料及種子細(xì)胞[2]。
淫羊藿苷(Icariin,ICA)是小檗科淫羊藿屬植物,又名仙靈脾,是從淫羊藿莖葉中提取的總黃酮中的有效成分之一。ICA在促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖和分化,調(diào)節(jié)免疫,甚至抗腫瘤等方面都有重要作用[3]。理想的組織工程支架材料應(yīng)具備諸多特性,如良好的生物相容性,較佳的生物可降解性,適宜的表面活性,理想的多孔性結(jié)構(gòu)和高孔隙率及生物可塑性等[4]。納米羥磷灰石(nano-hydroxyapatite,nHAC)支架是一種仿生骨納米尺寸材料,與天然骨在納米結(jié)構(gòu)上相當(dāng)接近,其孔隙率高達(dá)80%~90%,孔徑100~600 μm,6個(gè)月可降解80%以上,是較理想的支架材料。已有研究[5]證實(shí),nHAC可促進(jìn)并加快骨創(chuàng)傷的愈合,且作用較明顯。人牙周膜干細(xì)胞(human periodontal ligament stem cells,hPDLSCs)是來(lái)源于牙周組織的一類(lèi)成體干細(xì)胞,能在一定條件下分化成為較成熟的成牙骨質(zhì)細(xì)胞和牙周膜成纖維細(xì)胞,可在一定程度上促進(jìn)牙周組織的自我更新,實(shí)現(xiàn)牙周組織缺損的再生[6]。本研究旨在探討ICA對(duì)hPDLSCs增殖及骨向分化的影響,觀察將ICA代替?zhèn)鹘y(tǒng)生長(zhǎng)因子應(yīng)用于牙周組織工程的可行性。
主要試劑:α-MEM培養(yǎng)基,胎牛血清,Ⅰ型膠原酶,胰蛋白酶,Dispase酶(Gibco公司,美國(guó));ICA(中國(guó)藥品生物制品檢定所,批號(hào):110737—200415);基質(zhì)蛋白-1單克隆抗體STOR-1,人CD146-FITC單克隆抗體(Beckmen Coulter公司,美國(guó));茜素紅,地塞米松,β-甘油磷酸鈉,維生素C,二甲基亞砜;nHAC材料(清華大學(xué)材料系研制)。主要儀器:CO2孵箱(Heraeau公司,德國(guó)),YJ-875型超靜工作臺(tái)(蘇州凈化設(shè)備廠);倒置相差顯微鏡及照相系統(tǒng),掃描電子顯微鏡(scanning electron microscopy,SEM)(Olympus公司,日本)。
1.2.1 細(xì)胞的分離培養(yǎng) 在蘭州大學(xué)口腔醫(yī)院口腔頜面外科選擇并收集12~18歲因正畸減數(shù)需拔牙患者而拔除的牙周健康的前磨牙,要求牙體無(wú)齲壞、無(wú)缺損,拔除后4 h內(nèi)送至實(shí)驗(yàn)室。在超凈工作臺(tái)內(nèi),于無(wú)菌培養(yǎng)皿中用PBS液反復(fù)沖洗牙體3~4遍,然后使用無(wú)菌手術(shù)刀片,小心刮取根中1/3處的牙周膜,邊刮取邊用PBS液沖洗,使用眼科剪將刮取的組織塊剪至最小。將獲取的牙周膜組織轉(zhuǎn)移至離心管中,1 000 r·min-1條件下離心2 min;棄上清液,避光條件下分別加入1 mLⅠ型膠原酶和1 mL Dispase酶,37 ℃恒溫水浴鍋內(nèi)消化40~50 min,每5 min輕輕振蕩離心管1次,至組織消化為棉絮狀;1 000 r·min-1離心5 min,棄上清液,加入完全培養(yǎng)液2 mL,重懸細(xì)胞,接種于六孔板中,于每孔中加入2 mL的完全培養(yǎng)液,置于5%CO2孵箱中37 ℃下培養(yǎng),5 d后初次換液,以后每3 d換液1次,待細(xì)胞在六孔板中長(zhǎng)滿80%時(shí)進(jìn)行細(xì)胞傳代。
1.2.2 有限稀釋法克隆純化hPDLSCs 將收集的對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期hPDLSCs培養(yǎng)上清液在1 500 r·min-1下離心10 min,經(jīng)0.22 μm直徑的小濾器過(guò)濾后,與培養(yǎng)基以體積比1∶1混合作為適應(yīng)性培養(yǎng)基。取對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的第1代細(xì)胞,用適應(yīng)性培養(yǎng)基倍比稀釋?zhuān){(diào)整細(xì)胞密度至每毫升10~15個(gè),吹打混勻,接種于96孔培養(yǎng)板中,每孔100 μL,培養(yǎng)12 h后標(biāo)記單個(gè)細(xì)胞孔,并補(bǔ)液至每孔200 μL,5 d換液,待克隆長(zhǎng)至孔底1/3~1/2后胰酶消化,擴(kuò)大培養(yǎng)。
1.2.3 純化后hPDLSCs的鑒定 取生長(zhǎng)良好的克隆化培養(yǎng)的細(xì)胞制備細(xì)胞爬片;爬片用PBS沖洗3次,每次5 min,滴加0.3%TritonX-100作用15 min,以增加細(xì)胞通透性;滴加3%過(guò)氧化氫甲醇溶液作用15 min,以消除內(nèi)源性過(guò)氧化物酶的影響;滴加正常山羊血清孵育30 min,以消除非特異性染色。用SABC法染色進(jìn)行STOR-1和CD146免疫細(xì)胞化學(xué)染色,以檢測(cè)細(xì)胞來(lái)源及表達(dá)情況,置于熒光顯微鏡下觀察;陰性對(duì)照組用PBS替代一抗。
1.3.1 體外四甲基偶氮唑鹽(thiazolyl blue tetrazolium bromide,MTT)法檢測(cè)ICA對(duì)hPDLSCs增殖的作用 將生長(zhǎng)良好的第3代hPDLSCs經(jīng)胰酶消化后以每毫升2×105個(gè)細(xì)胞的密度接種于5塊96孔培養(yǎng)板中,每孔100 μL,培養(yǎng)24 h;待細(xì)胞貼壁后棄去上清液,分2組,分別加入含1×10-7mol·L-1ICA和不含ICA的α-MEM完全培養(yǎng)液,繼續(xù)培養(yǎng),每組設(shè)6個(gè)復(fù)孔。培養(yǎng)第1、2、3、4、5天分別取一塊培養(yǎng)板,每孔加入質(zhì)量濃度5 g·L-1的MTT 20 μL繼續(xù)培養(yǎng)4 h,棄去上清液,每孔加二甲基亞砜150 μL,輕輕振蕩使結(jié)晶溶解,用酶聯(lián)免疫檢測(cè)儀在570 nm處測(cè)定每孔的吸光度A值。取各孔均值,以A570值反映活細(xì)胞的數(shù)目。
1.3.2 體外堿性磷酸酶(alkaline phosphatase,ALP)法檢測(cè)ICA對(duì)hPDLSCs骨向分化的作用 將生長(zhǎng)良好的第3代hPDLSCs消化后以每毫升2×103個(gè)細(xì)胞的密度接種于3塊96孔板,培養(yǎng)24 h,細(xì)胞貼壁后棄去上清液,分為2組,每組6個(gè)復(fù)孔。2組分別加入含1×10-7mol·L-1ICA和不含ICA的α-MEM礦化誘導(dǎo)液(10%胎牛血清,α-MEM培養(yǎng)液,10 nmol·L-1地塞米松,0.05 mmol·L-1維生素C,10 mmol·L-1β-甘油磷酸鈉),繼續(xù)培養(yǎng);分別于第3、5、7天取1塊培養(yǎng)板,棄去培養(yǎng)液,PBS洗滌3次,吸干;每孔加0.1%TritonX-100 100 μL,4 ℃冰箱內(nèi)過(guò)夜;次日于顯微鏡下觀察,無(wú)完整的細(xì)胞結(jié)構(gòu)后,吹打,每孔吸取50 μL轉(zhuǎn)移至另一塊96孔板。按試劑盒說(shuō)明,依次加入緩沖液、基質(zhì)液、顯色液,立即混勻,于酶聯(lián)免疫檢測(cè)儀520 nm處測(cè)定各孔ALP活性值,取其均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。
1.3.3 體外逆轉(zhuǎn)錄聚合酶鏈反應(yīng)(reverse transcription-polymerase chain reaction,RT-PCR)檢測(cè)ICA對(duì)hPDLSCs成骨基因的表達(dá)情況 將生長(zhǎng)良好的第3代hPDLSCs消化后以每毫升2×103個(gè)細(xì)胞的密度接種于96孔板,培養(yǎng)24 h,細(xì)胞貼壁后棄去上清液,分為2組,每組6個(gè)復(fù)孔;分別加入含1×10-7mol·L-1ICA和不含ICA的α-MEM礦化誘導(dǎo)液,繼續(xù)培養(yǎng)7 d;分別收集加藥組和未加藥組的細(xì)胞,提取細(xì)胞RNA,逆轉(zhuǎn)錄cDNA,行聚合酶鏈反應(yīng)擴(kuò)增,采用常規(guī)方法檢測(cè)Runt相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子2(Runt-related transcription factor-2,Runx2)、膠原蛋白Ⅰ(collagenⅠ,ColⅠ)、骨橋蛋白(osteopontin,OPN)、骨鈣蛋白(osteocalcin,OCN)基因的表達(dá)量,以β-actin為內(nèi)參對(duì)照。引物設(shè)計(jì)詳見(jiàn)表1。
表1 RT-PCR引物序列Tab 1 Primer sequences of RT-PCR
1.3.4 茜素紅染色檢測(cè)ICA對(duì)hPDLSCs骨量表達(dá)的作用 將生長(zhǎng)良好的第3代hPDLSCs消化后以每毫升2×105個(gè)細(xì)胞的密度接種于3塊6孔板,培養(yǎng)24 h,細(xì)胞貼壁后棄去上清液,分為2組,每組3個(gè)復(fù)孔;分別加含1×10-7mol·L-1ICA和不含ICA的α-MEM礦化誘導(dǎo)液,繼續(xù)培養(yǎng),分別于第14、21、28天取1塊培養(yǎng)板,吸棄培養(yǎng)液,PBS沖洗,95%乙醇固定10 min,PBS清洗2次,0.1%茜素紅染色,光鏡下觀察。
將nHAC切割成直徑2~3 mm的顆粒狀材料,消毒滅菌,備用。將hPDLSCs細(xì)胞密度調(diào)整至每毫升5×105個(gè),接種到nHAC上,負(fù)壓抽吸使hPDLSCs懸液充分進(jìn)入nHAC的多孔間隙中。小心將負(fù)載細(xì)胞的nHAC移至24孔板中,小心加入2 mL培養(yǎng)液進(jìn)行培養(yǎng),每24 h換液1次;培養(yǎng)72 h后,3%戊二醛固定,脫水,真空干燥,噴金鍍膜后行SEM觀察。
1.5.1 hPDLSCs與nHAC復(fù)合 將nHAC切割成直徑2~3 mm的顆粒狀材料,消毒滅菌,備用。將hPDLSCs細(xì)胞密度調(diào)整至每毫升5×105個(gè),接種到nHAC上,負(fù)壓抽吸使hPDLSCs懸液充分進(jìn)入nHAC的多孔間隙中。小心將負(fù)載細(xì)胞的nHAC移至24孔板中,分成2組,分別加入含1×10-7mol·L-1ICA和不含ICA的α-MEM礦化誘導(dǎo)液,繼續(xù)培養(yǎng)72 h。
1.5.2 動(dòng)物實(shí)驗(yàn)?zāi)P偷臏?zhǔn)備及組織學(xué)觀察 選擇6~8周齡BALB免疫缺陷雌性小鼠6只,質(zhì)量20~22 g,分兩組,分別將兩組復(fù)合材料等量植入小鼠背側(cè)肌層,術(shù)后飼養(yǎng)30 d,處死實(shí)驗(yàn)動(dòng)物,取出植入材料,以40 mol·L-1多聚甲醛固定,置于復(fù)合脫鈣液中24 h,水洗,脫水,石蠟包埋,制成4 μm連續(xù)性切片,行蘇木精-伊紅(hematoxylin-eosin,HE)染色。
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 13.0軟件進(jìn)行單因素方差分析,檢驗(yàn)水準(zhǔn)為雙側(cè)α=0.05。
hPDLSCs原代培養(yǎng)3~7 d后,組織塊周?chē)_(kāi)始有細(xì)胞爬出,細(xì)胞形態(tài)大多為長(zhǎng)梭形或不規(guī)則形,有1~2個(gè)突起,約14 d開(kāi)始匯合,呈放射狀、螺旋狀生長(zhǎng)(圖1)。約3周后,細(xì)胞長(zhǎng)滿孔底80%。生長(zhǎng)的細(xì)胞以1∶2的比例傳代。最初5代的細(xì)胞,培養(yǎng)5~7 d即可長(zhǎng)滿培養(yǎng)皿,細(xì)胞生長(zhǎng)活躍,核分裂象多;6~12代細(xì)胞,培養(yǎng)10~14 d鋪滿培養(yǎng)皿,細(xì)胞增殖穩(wěn)定。
免疫細(xì)胞化學(xué)染色顯示,STOR-1和CD146呈陽(yáng)性表達(dá)(圖2),提示培養(yǎng)的細(xì)胞為間充質(zhì)來(lái)源并具有干細(xì)胞特性。
1×10-7mol·L-1ICA作用于hPDLSCs后,分別于第1、2、3、4、5天用MTT法檢測(cè)hPDLSCs增殖情況,并與對(duì)照組比較,其結(jié)果見(jiàn)圖3:第1天,ICA作用不明顯,與對(duì)照組相比差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05);第2天ICA的作用開(kāi)始明顯,隨著培養(yǎng)天數(shù)的增加,細(xì)胞數(shù)量呈遞增趨勢(shì)。經(jīng)檢測(cè),第2天ICA的作用最強(qiáng),細(xì)胞數(shù)增加最多。
圖1 hPDLSCs的生長(zhǎng)狀況 光學(xué)顯微鏡Fig 1 Growth condition of hPDLSCs optical microscope
圖2 細(xì)胞表面抗原檢測(cè) 熒光顯微鏡Fig 2 Detection of cell surface antigens fl uorescence microscope
圖3 hPDLSCs增殖情況Fig 3 Proliferation of hPDLSCs
1×10-7mol·L-1ICA作用于hPDLSCs,分別在培養(yǎng)第3、5、7天檢測(cè)ALP活性,結(jié)果見(jiàn)圖4:第3、5、7天時(shí)實(shí)驗(yàn)組ALP活性較對(duì)照組明顯升高(P<0.05)。在ICA作用下,3~5 d時(shí)ALP活性增長(zhǎng)幅度最大。
圖4 hPDLSCs的ALP活性Fig 4 The expression of ALP in hPDLSCs
1×10-7mol·L-1的ICA作用于hPDLSCs后培養(yǎng)7 d,采用RT-PCR法檢測(cè)4種成骨基因的相對(duì)表達(dá)量,其結(jié)果見(jiàn)圖5:實(shí)驗(yàn)組Runx2、ColⅠ、OPN、OCN的相對(duì)表達(dá)量較對(duì)照組明顯升高(P<0.05),以ColⅠ的相對(duì)表達(dá)量最高。
圖5 RT-PCR法檢測(cè)hPDLSCs成骨基因的表達(dá)Fig 5 RT-PCR for the detection of osteoblastic marker in hPDLSCs
1×10-7mol·L-1的ICA作用于hPDLSCs后分別培養(yǎng)14、21、28 d,每次檢測(cè)均可見(jiàn)明顯的鈣化結(jié)節(jié),14~28 d的結(jié)節(jié)量呈增多趨勢(shì)(圖6)。由圖6可見(jiàn),實(shí)驗(yàn)組鈣化結(jié)節(jié)的面積明顯大于對(duì)照組。
SEM觀察可見(jiàn),hPDLSCs在nHAC上貼附牢固,生長(zhǎng)旺盛,伸展充分(圖7)。
圖6 鈣化結(jié)節(jié)的形成 茜素紅染色 × 100Fig 6 The formation of calci fi ed nodules alizarin red staining × 100
圖7 hPDLSCs在nHAC上的形態(tài)學(xué)觀察 SEMFig 7 Morphology of hPDLSCs on nHAC SEM
術(shù)后30 d,對(duì)照組nHAC周?chē)梢?jiàn)類(lèi)骨質(zhì)及少量編織骨(圖8左);實(shí)驗(yàn)組nHAC周?chē)霈F(xiàn)大量編織骨,骨小梁表面可見(jiàn)覆以不規(guī)則形狀的成骨細(xì)胞,網(wǎng)狀骨小梁間可見(jiàn)新生骨組織和血管(圖8右)。
左:對(duì)照組;右:實(shí)驗(yàn)組。
種子細(xì)胞的選擇是牙周組織工程的首要問(wèn)題。目前用于牙周組織工程的種子細(xì)胞有牙周膜干細(xì)胞、牙髓基質(zhì)干細(xì)胞、胚胎干細(xì)胞和脂肪干細(xì)胞等[7]。在這些細(xì)胞中,牙周膜干細(xì)胞是存在于牙周組織中的一種成體干細(xì)胞,具有干細(xì)胞特性,具有高增殖能力、自我更新能力以及多向分化能力,在成骨的同時(shí)也可以分化形成類(lèi)似于牙周膜樣組織,被認(rèn)為是牙周組織工程的首選種子細(xì)胞[8]。本實(shí)驗(yàn)將hPDLSCs作為種子細(xì)胞。在培養(yǎng)中觀察可見(jiàn),經(jīng)原代培養(yǎng)3~7 d后,組織塊周?chē)_(kāi)始有細(xì)胞爬出,約14 d開(kāi)始匯合,呈放射狀、螺旋狀生長(zhǎng);約3周后細(xì)胞長(zhǎng)滿孔底80%;傳代培養(yǎng)時(shí),最初5代細(xì)胞生長(zhǎng)活躍,核分裂象多,6~12代細(xì)胞增殖穩(wěn)定。免疫細(xì)胞化學(xué)染色顯示,STOR-1和CD146呈陽(yáng)性表達(dá),可見(jiàn)培養(yǎng)的細(xì)胞為間充質(zhì)來(lái)源并具有干細(xì)胞特性。
本實(shí)驗(yàn)基于牙周病的治療現(xiàn)狀和組織工程技術(shù)的發(fā)展背景,研究ICA應(yīng)用于組織工程領(lǐng)域治療牙周病的可行性。有研究[5,9-14]已經(jīng)證實(shí),ICA在促進(jìn)成骨細(xì)胞的功能方面具有重要的作用。ICA可顯著促進(jìn)大鼠成骨細(xì)胞的分化與成熟,促進(jìn)人臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞、羊骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞和大鼠骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的骨向分化與增殖;能抑制大鼠破骨細(xì)胞的分化及細(xì)胞活性,降低其骨吸收能力,達(dá)到促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖和分化的作用;并具有促進(jìn)人成骨細(xì)胞增殖和分化的功能,具有促進(jìn)骨形成的生理活性。本實(shí)驗(yàn)中,以1×10-7mol·L-1ICA作用于hPDLSCs,觀察ICA對(duì)hPDLSCs生長(zhǎng)增殖的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn):ICA從培養(yǎng)的第2天開(kāi)始,可以明顯促進(jìn)hPDLSCs的增殖,隨著培養(yǎng)天數(shù)的增加,細(xì)胞數(shù)量逐漸增多。ALP是成骨細(xì)胞、成牙骨質(zhì)細(xì)胞等骨化細(xì)胞的標(biāo)志性物質(zhì),在成骨細(xì)胞、成牙骨質(zhì)細(xì)胞剛開(kāi)始形成骨和牙骨質(zhì)時(shí),ALP活性顯著增加,因此ALP可以作為細(xì)胞骨向分化的評(píng)價(jià)指標(biāo)[15]。本實(shí)驗(yàn)中,1×10-7mol·L-1ICA作用于hPDLSCs后,ALP活性明顯升高,提示ICA具有促進(jìn)hPDLSCs的增殖和骨向分化的能力。Runx2、ColⅠ、OPN和OCN是一種指示骨新陳代謝變化過(guò)程的靈敏、準(zhǔn)確和特異性的指標(biāo)性物質(zhì),可以反映細(xì)胞的成骨活性[16]。本實(shí)驗(yàn)中,1×10-7mol·L-1ICA作用于hPDLSCs后,4種基因的表達(dá)均明顯增高,說(shuō)明ICA具有明確的促進(jìn)hPDLSCs骨向分化的作用。
羥磷灰石具有良好的生物相容性和生物活性[17],是牙槽骨、牙骨質(zhì)、牙齒的主要無(wú)機(jī)成分。nHAC作為一種典型的生物材料,是納米微晶狀態(tài)的細(xì)胞外基質(zhì)材料,也是良好的牙周組織工程支架材料,植入人體后能在短時(shí)間內(nèi)附著于人體組織,并最終與體內(nèi)的軟硬組織緊密結(jié)合,現(xiàn)已成為廣泛應(yīng)用的植骨代用品[18]。nHAC及其復(fù)合材料的構(gòu)想源于天然組織,牙齒就是由nHAC晶體和有機(jī)高分子組成的納米復(fù)合材料[19]。將nHAC及其復(fù)合材料應(yīng)用于牙周組織工程,是將材料技術(shù)應(yīng)用于建立牙齒新附著的嘗試,是組織工程領(lǐng)域非常重要的研究課題[20]。本實(shí)驗(yàn)以nHAC作為支架材料,將hPDLSCs接種到nHAC三維支架上,經(jīng)SEM觀察發(fā)現(xiàn),hPDLSCs可以在nHAC上牢固貼附,生長(zhǎng)旺盛,伸展充分。本實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步將hPDLSCs與nHAC復(fù)合支架經(jīng)ICA作用72 h后植入小鼠體內(nèi),術(shù)后30 d,經(jīng)組織學(xué)觀察,結(jié)果可見(jiàn):經(jīng)ICA作用的nHAC周?chē)霈F(xiàn)大量的編織骨,骨小梁表面可見(jiàn)覆以不規(guī)則形狀的成骨細(xì)胞,網(wǎng)狀骨小梁間可見(jiàn)新生骨組織和血管;未經(jīng)ICA作用的對(duì)照組nHAC周?chē)梢?jiàn)類(lèi)骨質(zhì)及少量編織骨。該結(jié)果證實(shí)ICA在體內(nèi)對(duì)hPDLSCs的增殖及骨向分化也具有明顯作用。
通過(guò)本實(shí)驗(yàn)的研究,證實(shí)ICA作為生長(zhǎng)因子,hPDLSCs作為種子細(xì)胞在牙周組織工程中的應(yīng)用是可行的,這為牙周組織工程的發(fā)展提供了新的思路。
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