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極度低氧條件下Ckip-1 siRNA促進骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞成骨分化作用

2020-07-27 16:29劉想忠寧宇胡靜楊傲飛蔡寒濤李章華
中國醫(yī)藥導(dǎo)報 2020年18期
關(guān)鍵詞:充質(zhì)成骨低氧

劉想忠 寧宇 胡靜 楊傲飛 蔡寒濤 李章華

[摘要] 目的 探討極度低氧條件下Ckip-1 siRNA促進骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(BMSCs)成骨分化作用。 方法 差速貼壁法分離培養(yǎng)兔BMSCs,常氧(20%)及極度低氧(1%)條件下培養(yǎng)72 h,實時熒光定量PCR(qPCR)及Western blot檢測成骨基因Run相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子2(Runx2)、SMAD5及骨形態(tài)發(fā)生蛋白2(BMP2)表達(dá),培養(yǎng)3、5、7 d后檢測上清中堿性磷酸酶(ALP)活性。再將BMSCs置于1%氧濃度下培養(yǎng)72 h,觀察Ckip-1 siRNA對Runx2、SMAD5及BMP2表達(dá)及ALP活性的影響。 結(jié)果 1%氧濃度下BMSCs的成骨基因表達(dá)及ALP活性明顯低于20%氧濃度下,差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P < 0.05);Ckip-1 siRNA轉(zhuǎn)染后BMSCs成骨基因表達(dá)及ALP活性明顯高于未轉(zhuǎn)染,差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P < 0.05)。 結(jié)論 極度低氧可抑制BMSCs成骨分化能力,而Ckip-1 siRNA促進BMSCs在極度低氧條件下向成骨細(xì)胞分化。

[關(guān)鍵詞] 低氧;Ckip-1 siRNA;骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞;成骨分化

[中圖分類號] R331.1? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A? ? ? ? ? [文章編號] 1673-7210(2020)06(c)-0010-06

[Abstract] Objective To investigate the osteogenic differentiation of bone marrow mesenchymal stem cells (BMSCs) by Ckip-1 siRNA under extreme hypoxia. Methods BMSCs were isolated and cultured in normal oxygen (20%) and extreme hypoxia (1%) for 72 h. The expression of osteogenic gene Runt-related transcription factor 2 (Runx2), Smad5 and bone morphogenetic protein 2 (BMP2) were detected by real-time quantitative PCR (qPCR) and Western blot. Alkaline phosphatase (ALP) activity in the supernatant was detected after 3, 5, 7 days of culture. BMSCs were cultured in 1% oxygen for 72 h to observe the effect of Ckip-1 siRNA on the expression of Runx2, Smad5, BMP2 and the activity of ALP. Results The osteogenic gene expression and ALP activity of BMSCs in 1% oxygen concentration were significantly lower than those in 20% oxygen concentration group, and the differences were statistically significant (P < 0.05); the osteogenic gene expression and ALP activity of BMSCs after transfection with Ckip-1 siRNA were significantly higher than those without transfection, and the differences were statistically significant (P < 0.05). Conclusion Hypoxia can inhibit the osteogenic differentiation of BMSCs, and Ckip-1 siRNA can promote the differentiation of BMSCs into osteoblasts.

[Key words] Hypoxia; Ckip-1 siRNA; Bone marrow derived mesenchymal stem cells; Osteogenic differentiation

骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(bone marrow derived mesenchymal stem cells,BMSCs)是一種多能干細(xì)胞,其在常氧下可誘導(dǎo)分化為成骨細(xì)胞、軟骨細(xì)胞及脂肪細(xì)胞等,且易于培養(yǎng)。因此,在干細(xì)胞移植方面具有廣闊的應(yīng)用前景[1-2]。然而,發(fā)生骨折或股骨頭壞死時,局部往往形成缺血缺氧環(huán)境,可使局部氧濃度降至1%~2%,甚至更低[3-5]。BMSCs作為種子細(xì)胞,其移植后在低氧條件下生物學(xué)特性的維持是影響療效的關(guān)鍵。目前,關(guān)于在低氧條件下干細(xì)胞的成骨分化能力尚存在爭議,多數(shù)學(xué)者認(rèn)為極度低氧可抑制BMSCs成骨分化能力[6]。酪蛋白激酶2相互作用蛋白1(casein kinase 2 interaction protein 1,Ckip-1)是近些年發(fā)現(xiàn)的一種負(fù)性調(diào)控蛋白,可抑制Run相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子2(Runx2)等成骨基因的表達(dá)而起到成骨抑制作用,敲低其在細(xì)胞內(nèi)的表達(dá),可一定程度上促進干細(xì)胞的成骨能力[7-8]。本研究擬觀察敲低BMSCs中Ckip-1表達(dá)是否可增強BMSCs在極度低氧環(huán)境下的成骨分化能力,為后期應(yīng)用Ckip-1治療股骨頭壞死提供實驗依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 主要試劑及儀器

MSCM專用培養(yǎng)基(Sciencell公司,美國);RNA提取試劑盒(OMEGA公司,美國);逆轉(zhuǎn)錄試劑盒及實時熒光定量PCR(qPCR)試劑盒(TOYOBO公司,日本);引物均由上海生工合成;Ckip-1 siRNA由蘇州貝信公司合成;LipofectaminTM 2000(Invitrogen公司);成骨誘導(dǎo)液(Cyagen公司,日本);堿性磷酸酶ALP檢測試劑盒(大連Meilunbio公司);Runx2兔抗鼠單克隆抗體(Abcam公司,美國);SMAD5兔單克隆抗體(NOVUS,美國);BMP2兔單克隆抗體(Bioss公司)。CO2培養(yǎng)箱(Thermal,美國,184L);qPCR儀器(BIORAD,美國,CFX96);倒置相差顯微鏡(Leica,德國,SP8-STED);酶聯(lián)免疫檢測儀(Molecular,美國,ELX800);低溫離心機(SCILOGEX,美國,D3024)。

1.2 實驗方法

1.2.1 兔BMSCs原代細(xì)胞提取、培養(yǎng)與鑒定? 取成年新西蘭兔4月齡,雌雄不限,按實驗室之前方法提取、培養(yǎng)與鑒定BMSCs[9]。

不同氧濃度下細(xì)胞的培養(yǎng):將第3代BMSCs接種于6孔板,分為20%氧濃度組及1%氧濃度組,待貼壁后,將MSCM培養(yǎng)基更換為成骨誘導(dǎo)液2 mL,轉(zhuǎn)至含37℃、5%CO2、氧濃度分別為20%及1%的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)3、5、7 d。

Ckip-1 siRNA轉(zhuǎn)染及培養(yǎng):對第3代BMSCs進行Ckip-1 siRNA轉(zhuǎn)染,分為空白組、陰性對照組及Ckip-1 siRNA組,Ckip-1 siRNA終濃度為50 pmol/mL,1%氧濃度條件下培養(yǎng)3、5、7 d。

1.2.2 ALP活性檢測? 細(xì)胞培養(yǎng)完成后收集上清,根據(jù)ALP試劑盒說明,設(shè)置空白孔、標(biāo)準(zhǔn)孔及樣品孔,以510 nm波長檢測吸光度,計算公式:ALP活性(金氏單位/100 mL)=(測量的OD值-空白孔OD值)/(標(biāo)準(zhǔn)孔OD值-空白孔OD值)。

1.2.3 成骨基因mRNA表達(dá)檢測? 細(xì)胞培養(yǎng)完成后,PBS洗滌收集細(xì)胞,按1×106個細(xì)胞加1 ml Trizol Reagent 進行總RNA提取,紫外分光光度儀測定純度A260/A280比值為1.80~1.90,定量,各取1 μg RNA進行逆轉(zhuǎn)錄獲取cDNA。引物設(shè)計:按照NCBI GENE查詢的Runx2、SMAD5、BMP2及GAPDH基因序列,由上海生工生物工程技術(shù)服務(wù)有限公司合成。Runx2引物序列:上游5′-GACTGTGGTTACCGTCATGGC-3′,下游5′-ACTTGGTTTTTCATAACAGCGGA-3′;GAPDH引物序列:上游5′-CTGGGCTACACTGAGCACC-3′,下游5′-AAGTGGTCGTTGAGGGCAATG-3′;Smad5引物序列:上游5′-TGCCTATATGCCACCTGAT′,下游:5′-CTGAACATCTCTGCTGGATAT-3′;BMP2引物序列:上游5′-TGCACCCAGATGAACACAGC-3′,下游5′-TCCGCTGTTTGTGTTTCGCT-3′;qPCR反應(yīng)體系為20 μL,包含10 μL的SYBRMIX,1 μL的上下游引物混合液及1 μL cDNA,加入DEPC水補至20 μL,以GAPDH為內(nèi)參。反應(yīng)條件:95℃預(yù)變性1 min,95℃變性15 s,72℃退火15 s,60℃延伸15 s,39個循環(huán)后檢測溶解曲線。

1.2.4 Western blot檢測成骨基因蛋白表達(dá)? 細(xì)胞培養(yǎng)完成后,PBS洗滌兩次收集細(xì)胞,加入RIPA蛋白裂解液,0℃裂解30 min,半徑為20 cm的低溫離心機12 000 r/min離心15 min后,取上清,BCA法檢測蛋白濃度。上清加入蛋白上樣緩沖液于100℃變性5 min。配置10%分離膠及濃縮膠,行SDS-PAGE電泳,200 mA恒流電轉(zhuǎn)至PVDF膜。脫脂奶粉配置5%封閉液,封閉60 min,以GAPDH蛋白為內(nèi)參,分別加入GAPDH抗體、Runx2抗體、Smad5抗體及BMP2抗體,4℃孵育過夜。二抗室溫孵育1 h。超敏ECL試劑盒反應(yīng)后,在Biorad化學(xué)發(fā)光系統(tǒng)顯影。

1.2.5 檢測Ckip-1 siRNA對BMSCs細(xì)胞Ckip-1基因的沉默作用? 將第3代BMSCs均勻種植于6孔板中,貼壁后進行siRNA轉(zhuǎn)染,分為空白組、陰性對照組及Ckip-1 siRNA組,用無血清DMEM稀釋siRNA、Negative control及Lipo2000,根據(jù)siRNA說明書以10、20、50 pmol/mL的Ckip-1 siRNA終濃度進行轉(zhuǎn)染,1%氧濃度培養(yǎng)72 h。qPCR檢測Ckip-1的表達(dá)。Ckip-1引物物序列:上游引物5′-TGCTGGGAGAG-GCGTCATCG-3′,下游引物5′-GCTCTTGCGGTACT-GGCTGTG-3′。

1.3 統(tǒng)計學(xué)方法

采用SPSS 18.0軟件進行數(shù)據(jù)分析。計量資料用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(x±s)表示,組間比較采用t檢驗,多組間比較采用單因素方差分析,兩兩比較采用LSD-t檢驗;計數(shù)資料以頻數(shù)、構(gòu)成比表示,采用χ2檢驗。以P < 0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 BMSCs形態(tài)學(xué)觀察

BMSCs貼壁后呈梭形、多角形,隨著培養(yǎng)時間延長,出現(xiàn)克隆式生長,呈長梭形。在低倍鏡下呈緊密排列的旋渦狀生長(圖1A),在高倍鏡下呈長梭形、成纖維細(xì)胞樣生長(圖1B)。見圖1。

2.2 不同氧濃度下成骨基因表達(dá)

2.2.1 ALP活性檢測? 1%氧濃度組培養(yǎng)3、5、7 d細(xì)胞ALP活性明顯低于20%氧濃度組,差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P < 0.05)。見表1。

2.2.2 不同氧濃度下成骨基因mRNA表達(dá)比較? 培養(yǎng)細(xì)胞72 h后。qPCR結(jié)果顯示:1%氧濃度組細(xì)胞成骨基因Runx2、SMAD5及BMP2的表達(dá)均低于20%氧濃度組,差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P < 0.05)。見圖2。

2.2.3 不同氧濃度下成骨基因蛋白表達(dá)比較? 培養(yǎng)細(xì)胞72 h后,Western blot檢測結(jié)果顯示:1%氧濃度組細(xì)胞成骨基因蛋白表達(dá)明顯低于20%氧濃度組,差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P < 0.05)。見圖3。

2.3 Ckip-1 siRNA對BMSCs的沉默作用

Ckip-1 siRNA轉(zhuǎn)染72 h后,qPCR結(jié)果顯示:10、20、50 pmol/mL Ckip-1 siRNA組中Ckip-1的表達(dá)量均低于空白組,差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P < 0.05);在50 pmol/mL時最低,50 pmol/mL組Ckip-1的表達(dá)量明顯低于20 pmol/mL組,差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P < 0.05)。因此后續(xù)實驗取50 pmol/mL為最終濃度。見圖4。

2.4 在1%氧條件下Ckip-1 siRNA對BMSCs成骨基因表達(dá)的影響

2.4.1 ALP活性檢測? 在不同時間段,Ckip-1 siRNA組上清中ALP活性均高于空白組,差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P < 0.05)。見表2。

2.4.2 Ckip-1 siRNA對BMSCs成骨基因mRNA表達(dá)的影響? 培養(yǎng)細(xì)胞72 h后,qPCR結(jié)果顯示:1%氧條件下,Ckip-1 siRNA組細(xì)胞成骨基因Runx2、SMAD5及BMP2 mRNA表達(dá)均高于空白組,差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P < 0.05)。見圖5。

2.4.3 Ckip-1 siRNA對BMSCs成骨基因蛋白表達(dá)的影響? 培養(yǎng)細(xì)胞72 h后,Western blot檢測結(jié)果顯示:Ckip-sRNA組細(xì)胞成骨基因蛋白表達(dá)明顯高于空白組,差異差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P < 0.05)。見圖6。

3 討論

BMSCs作為多能干細(xì)胞,在組織工程中的應(yīng)用具有重要地位。體外培養(yǎng)BMSCs大多數(shù)是在常氧環(huán)境下進行,然而在體內(nèi)很多部位氧濃度較低,如軟骨或關(guān)節(jié)部位氧濃度一般在6%~10%,深部關(guān)節(jié)更是可達(dá)1%,發(fā)生大面積骨缺損及股骨頭壞死等疾病時,氧濃度還可降至更低水平[10-11]。進行外源性干細(xì)胞移植治療這類疾病時,干細(xì)胞將面臨嚴(yán)重的缺血缺氧、營養(yǎng)因子缺乏等一系列問題,因此,提高BMSCs在低氧環(huán)境中的存活能力并維持成骨特性非常重要。盡管對低氧狀態(tài)下干細(xì)胞的研究較多,但對BMSCs在低氧下的生物學(xué)特性仍未達(dá)成共識。研究顯示[12-13],低氧可誘導(dǎo)干細(xì)胞高表達(dá)低氧誘導(dǎo)因子,激活血管內(nèi)皮生長因子表達(dá),促進其成血管能力。胡旭治等[14]通過低氧劑CoCl2建立低氧模型,發(fā)現(xiàn)BMSCs的成骨基因蛋白表達(dá)明顯上調(diào)。羅蕓等[15]通過比較20%、10%及5%氧濃度下充質(zhì)干細(xì)胞的生物學(xué)特性發(fā)現(xiàn),5%氧條件下對細(xì)胞除具有抗凋亡作用外,還有成神經(jīng)誘導(dǎo)能力。Holzwarth等[16]在研究中發(fā)現(xiàn)充質(zhì)干細(xì)胞由常氧轉(zhuǎn)移至1%氧濃度后,其生長多停滯在G1期,成骨及成脂分化能力均減弱,但由1%氧濃度恢復(fù)至3%氧濃度時,則成骨分化能力有所提高。ALP是細(xì)胞成骨分化的早期指標(biāo),與細(xì)胞成骨能力有關(guān)[17]。本研究中,BMSCs在1%氧濃度下培養(yǎng)3、5、7 d后,上清中ALP活性明顯低于20%氧濃度,且各項成骨蛋白Runx2、SMAD5及BMP2的表達(dá)量均較20%氧濃度低。

為改善BMSCs在低氧環(huán)境下的耐受能力,廖紅興等[18]將載有骨形態(tài)發(fā)生蛋白6及低氧誘導(dǎo)因子1a的腺病毒轉(zhuǎn)染入干細(xì)胞內(nèi),并在2%氧濃度下培養(yǎng),結(jié)果發(fā)現(xiàn),與對照組比較,實驗組血管及成骨能力均明顯增強。王梓豪等[19]研究顯示,過表達(dá)GATA-4-BMSCs可以通過增強BMSCs抗凋亡能力,有效改善小鼠心肌梗死后的心功能。提示通過對干細(xì)胞進行干預(yù)可促進其成骨分化能力。

Ckip-1對MSCs的調(diào)節(jié)作用近年來受到人們的廣泛關(guān)注,作為骨負(fù)性調(diào)節(jié)因子,Ckip-1的C末端結(jié)構(gòu)域可以與Smurf1兩個WW結(jié)構(gòu)域之間的連接區(qū)發(fā)生相互作用以激活Smurf1因子,進而激活泛素-蛋白酶降解系統(tǒng),降解Runx2、BMP2等成骨基因表達(dá),抑制體內(nèi)成骨,引起骨質(zhì)疏松[20-22]。通過不同方式干擾Ckip-1的表達(dá),可一定程度上促進干細(xì)胞成骨,如陳俊鳳等[23]通過使干細(xì)胞的microRNA-20a過表達(dá)后,發(fā)現(xiàn)可抑制Ckip-1表達(dá),進而促進成骨基因表達(dá)?;蛘咄ㄟ^其特異性siRNA,也可降低Ckip-1表達(dá),在體內(nèi)可增加骨量及骨小梁體積。在體外,還可抑制BMSCS凋亡,而促進成骨能力,提高骨鈣素表達(dá)[24]。然而,目前關(guān)于Ckip-1對充質(zhì)干細(xì)胞的研究多是在常氧條件下進行的,在低氧環(huán)境下是否仍具有同樣作用,研究較少。本研究在極度低氧環(huán)境下敲低BMSCs內(nèi)Ckip-1表達(dá),以探索是否在低氧環(huán)境下Ckip-1 siRNA仍有促成骨能力,為改善BMSCs在極度缺氧環(huán)境中的成骨能力尋找新方法。本研究首先驗證了低氧環(huán)境下Ckip-1 siRNA的特異性干擾作用,結(jié)果顯示隨著濃度的提高,Ckip-1 siRNA的抑制作用更加明顯。故本研究選取最高濃度50 pmol/mL作為實驗濃度,結(jié)果顯示,轉(zhuǎn)染Ckip-1 siRNA后,BMSCs的成骨基因表達(dá)明顯上調(diào),提示在極度低氧條件下,BMSC轉(zhuǎn)入Ckip-1 siRNA后成骨能力明顯提高。

綜上所述,在極度低氧條件下,BMSCs的成骨分化能力明顯受抑制,通過轉(zhuǎn)染Ckip-1 siRNA降低Ckip-1的表達(dá),可一定程度上提高BMSCs的成骨能力。這提示,當(dāng)對骨折或股骨頭壞死等局部引起極度缺氧疾病進行干細(xì)胞移植時,通過抑制Ckip-1表達(dá),可在一定程度上改善BMSCs的成骨能力。

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(收稿日期:2020-02-06? 本文編輯:劉永巧)

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