任婧,萬(wàn)玲玲,2,魯峰,陳曦航
1.南方醫(yī)科大學(xué)南方醫(yī)院整形美容外科,廣州 510515;2.宜春學(xué)院化學(xué)與生物工程學(xué)院,江西 宜春 336000
如何重建因創(chuàng)傷、腫瘤切除、先天性缺陷等導(dǎo)致的軟組織缺損是整形外科領(lǐng)域所面臨的巨大挑戰(zhàn)[1]。傳統(tǒng)的組織工程技術(shù)以外源性種子細(xì)胞、支架材料和微環(huán)境為基礎(chǔ)所構(gòu)建出的脂肪組織,由于存在外源性感染風(fēng)險(xiǎn)、體積小及長(zhǎng)期轉(zhuǎn)歸不理想等因素,仍然達(dá)不到臨床所需大體積脂肪組織的構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn),這極大限制了其應(yīng)用范圍。
“組織工程室技術(shù)”利用在體脂肪組織本身豐富的脂肪來(lái)源間充質(zhì)干細(xì)胞(adipose-derived stromal cells,ASCs)、細(xì)胞外基質(zhì)支架及微環(huán)境所構(gòu)建的工程室化脂肪組織,為大體軟組織缺損修復(fù)提供了新的解決方案[2,3]。課題組前期通過(guò)微創(chuàng)手術(shù)游離小體積帶蒂脂肪瓣,結(jié)合外負(fù)壓吸引裝置(external volume expansion,EVE),成功地構(gòu)建了預(yù)擴(kuò)張工程化脂肪瓣(expanded prefabricated adipose tissue,EPAT),實(shí)現(xiàn)了全內(nèi)源性大體積脂肪再生[4]。這在大體積工程化脂肪組織的構(gòu)建中展現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景。然而應(yīng)力參與構(gòu)建工程化脂肪組織的分子機(jī)制尚不明確。
ASCs作為參與脂肪再生的關(guān)鍵種子細(xì)胞,可以直接分化為脂肪細(xì)胞,并在宏觀上體現(xiàn)為脂肪組織體積的增大[5],探索其增殖機(jī)制是明確應(yīng)力誘導(dǎo)脂肪再生的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。我們前期發(fā)現(xiàn)力學(xué)刺激作用于細(xì)胞外基質(zhì)(extracellular matrix,ECM),而ASCs可通過(guò)其細(xì)胞膜表面特異性力學(xué)感受器Integrinβ1感應(yīng)并轉(zhuǎn)導(dǎo)力學(xué)信號(hào)并傳導(dǎo)至細(xì)胞質(zhì)骨架(fibrous actin,Factin),繼而產(chǎn)生增殖效應(yīng)[4]。然而這僅是我們對(duì)ASCs內(nèi)力學(xué)轉(zhuǎn)導(dǎo)信號(hào)的初步探索,其下游機(jī)制值得進(jìn)一步深入研究。
近年來(lái),細(xì)胞核不僅作為細(xì)胞內(nèi)硬度最高和基因轉(zhuǎn)錄發(fā)生的亞細(xì)胞結(jié)構(gòu),而且作為新型力學(xué)感受器,成為細(xì)胞生物力學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一[6]。其中,位于細(xì)胞核內(nèi)膜與染色質(zhì)之間的核纖層蛋白(Lamins),是胞核骨架的重要組成部分[6]。Lamins通過(guò)LINC復(fù)合體(linker of nucleoskeleton and cytoskeleton complex)與細(xì)胞質(zhì)骨架直接結(jié)合,同時(shí)可直接與染色質(zhì)上DNA片段結(jié)合,這為細(xì)胞內(nèi)力學(xué)信號(hào)的傳導(dǎo)提供了良好路徑[7]。Lamins分為A型和B型,A型主要包括異構(gòu)體Lamin A和Lamin C,B型主要包括Lamin B1和Lamin B2[8]。研究表明,Lamins在細(xì)胞力學(xué)信號(hào)傳導(dǎo)中發(fā)揮著重要作用,其異常表達(dá)或突變可減弱細(xì)胞對(duì)機(jī)械刺激的敏感性及反應(yīng)性[9]。因此,本課題將探索核纖層蛋白Lamins對(duì)ASCs機(jī)械敏感性及增殖的調(diào)控作用,探討外負(fù)壓吸引促進(jìn)脂肪瓣再生的分子機(jī)制。
1.1.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物 8~10周清潔級(jí)SD雄性大鼠42只,平均體重為(370±20)g,購(gòu)買(mǎi)后飼養(yǎng)于南方醫(yī)科學(xué)大學(xué)實(shí)驗(yàn)中心。每日常規(guī)飲食。
1.1.2 主要試劑及儀器 多聚甲醛、I型膠原酶等購(gòu)自Sigma公司;Lamin A/C、Lamin B1、Lamin B2抗體購(gòu)自美國(guó)abcam 公司;Western blot試劑盒購(gòu)自德國(guó)Rebstock公司;Integrinβ1敲低慢病毒的制備、Lamin A/C過(guò)表達(dá)慢病毒的制備這部分實(shí)驗(yàn)委托中國(guó)上海吉?jiǎng)P基因化學(xué)技術(shù)有限公司完成;大鼠ASCs專用培養(yǎng)基購(gòu)買(mǎi)自中國(guó)賽業(yè)生物科技有限公司;Flexcell細(xì)胞培養(yǎng)板購(gòu)買(mǎi)自美國(guó)Flexcellint國(guó)際公司。
1.2.1 EPAT構(gòu)建 將3%戊巴比妥按30 mg/kg注射入大鼠腹腔,靜待其深入麻醉后,將大鼠腹部剃毛并固定于小動(dòng)物固定臺(tái)。術(shù)前于大鼠下腹部用醫(yī)用碘伏及酒精消毒3遍,隨后鋪單并暴露手術(shù)區(qū)域。
行腹股溝轉(zhuǎn)瓣手術(shù):用11號(hào)尖刀于一側(cè)腹股溝區(qū)域做長(zhǎng)約1.5 cm,平行于髂前上棘的斜行切口。沿腹股溝脂肪瓣分離脂肪組織,暴露軸型血管并給予仔細(xì)保護(hù),隨后于腹股溝背處結(jié)扎血管遠(yuǎn)端并離斷脂肪瓣,修剪脂肪瓣使其大小約2.5 cm×1 cm。于大鼠下腹部分離皮下隧道,隨后將帶蒂脂肪瓣轉(zhuǎn)移至下腹部中線處,并用5-0可吸收線將脂肪瓣遠(yuǎn)端固定于腹部筋膜上。生理鹽水沖洗檢查有無(wú)出血點(diǎn),用6-0尼龍線間斷縫合皮膚,術(shù)畢。此步驟是為了將大鼠的腹股溝脂肪瓣轉(zhuǎn)移至腹部中線處,方便隨后的負(fù)壓外擴(kuò)張器的使用。
放置組織外擴(kuò)張負(fù)壓裝置(EVE):術(shù)后1星期可見(jiàn)大鼠腹股溝傷口愈合良好,便開(kāi)始給予負(fù)壓吸引。將大鼠固定于體外定制的小動(dòng)物固定器內(nèi),標(biāo)記脂肪瓣在皮膚表面的投影,隨后將負(fù)壓吸引裝置固定于大鼠腹部,調(diào)節(jié)參數(shù),負(fù)壓罩直徑為2 cm,負(fù)壓值為-2 kPa,每次持續(xù)負(fù)壓吸引6~8 h。對(duì)照組同樣固定于體外定制的小動(dòng)物固定器內(nèi)6~8 h,不給于負(fù)壓吸引處理(圖1)。
圖1 預(yù)擴(kuò)張脂肪組織(EPAT)大鼠動(dòng)物模型示意圖Fig.1 The animal model of expanded prefabricated adipose tissue(EPAT)
1.2.2 SD大鼠ASCs培養(yǎng)與分組 在超凈臺(tái)內(nèi)用將SD大鼠腹股溝脂肪瓣剪碎,用0.2%的I型膠原酶恒溫?fù)u床中37℃消化60 min,終止消化,1000 r/min離心5 min取細(xì)胞沉淀,用生長(zhǎng)培養(yǎng)基重懸后接種于培養(yǎng)皿中培養(yǎng),48 h后第1次換液,以后隔2d換1次液體,細(xì)胞生長(zhǎng)融合達(dá)90%時(shí)按1:2比例傳代。
通過(guò)慢病毒構(gòu)建Integrinβ1 ASCs表達(dá)抑制模型;運(yùn)用3D打印技術(shù)構(gòu)建體外靜態(tài)細(xì)胞拉伸裝置,同時(shí)給予對(duì)照組組和Lamin A/C過(guò)表達(dá)組12%、6%、0%的靜態(tài)形變作用,通過(guò)細(xì)胞免疫熒光、Western Blot檢測(cè)Lamin A/C表達(dá)情況。
通過(guò)慢病毒構(gòu)建Lamin A/CASCs過(guò)表達(dá)模型;運(yùn)用3D打印技術(shù)構(gòu)建體外靜態(tài)細(xì)胞拉伸裝置,同時(shí)給予對(duì)照組組和Lamin A/C過(guò)表達(dá)組12%、6%、0%的靜態(tài)形變作用,通過(guò)細(xì)胞免疫熒光、Western Blot檢測(cè)ASCs增殖情況。
1.2.3 細(xì)胞加力裝置及細(xì)胞加力 我們使用3D打印定制的靜態(tài)細(xì)胞拉伸裝置(Flexcell Device)[4]對(duì)細(xì)胞進(jìn)行拉伸作用。Flexcell Device由聚四氟乙烯材料構(gòu)建的底座,和帶有彈性膜的Flexcell Bioflex平板(標(biāo)準(zhǔn)6孔板)構(gòu)成的上板組成。通過(guò)設(shè)置底座上聚四氟乙烯圓柱的高度即可調(diào)節(jié)施加在彈性膜上的形變水平。我們采用了12%、6%和0%的形變參數(shù),分別由高14.36 mm、12.07 mm和6.8 mm的圓柱產(chǎn)生。當(dāng)?shù)装迮cBioflex彈性六孔板疊加合并時(shí),圓柱將作用于Bioflex彈性六孔板的彈性膜,并將彈性膜向上部頂起,制造出膜中心與膜外周的高度差,繼而使彈性膜產(chǎn)生穩(wěn)定的形變,與此同時(shí)種植于彈性膜表面的細(xì)胞也將通過(guò)粘附作用產(chǎn)生相應(yīng)的形變(圖2)。
圖2 靜態(tài)拉伸系統(tǒng)裝置示意圖Fig.2 Illustration of Flexcell devicein vitro
1.2.4 免疫印跡檢測(cè) 提取組織/細(xì)胞裂解物。Bradford法測(cè)定蛋白濃度。將蛋白樣品與Loading buffer混合,100℃水浴中加熱5 min,離心后取上清,配制12%分離膠、5%濃縮膠,SDS-PAGE電泳,隨后將蛋白轉(zhuǎn)至PVDF膜,用含5%脫脂奶粉封閉液室溫封閉1 h,加一抗:Lamin A/C、Lamin B1、Lamin B2和內(nèi)參GAPDH,4℃孵育過(guò)夜,TBS洗膜后分別加二抗,37℃孵育1 h,洗膜后進(jìn)行ECL化學(xué)發(fā)光、曝光、顯影,以Lamin A/C、Lamin B1、Lamin B2與GAPDH灰度值之比作為蛋白的相對(duì)表達(dá)量。
1.2.5 組織染色切片 4%多聚甲醛固定脂肪瓣;行脫水、石蠟包 埋等處理;行組織石蠟切片Lamin A/C免疫化學(xué)染色,并在光學(xué)顯微鏡下拍照,最后通過(guò)圖像分析評(píng)估Lamin A/C表達(dá)情況。
1.2.6 細(xì)胞免疫熒光檢測(cè) 4%多聚甲醛固定細(xì)胞15 min;洗滌后0.3%TritonX-100通透10 min,洗滌后山羊血清封閉液封閉60 min;加入一抗4孵育過(guò)夜。次日洗滌后加入熒光染料標(biāo)記的二抗避光孵育90 min;洗滌后DAPI核染色劑避光孵育10 min,洗滌后加入防熒光淬滅劑。熒光顯微鏡下觀察拍照。
數(shù)據(jù)呈現(xiàn)平均值與正負(fù)誤差值,使用Graph Pad Prism Software version 6.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。每次測(cè)試3次獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。統(tǒng)計(jì)分析方法使用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn),單因素方差分析或雙因素方差分析進(jìn)行檢測(cè),P<0.05具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
EVE作用下,可見(jiàn)Ki67陽(yáng)性的細(xì)胞(圖3)散在分布于脂肪組織的間質(zhì)中,并且脂肪瓣中細(xì)胞Ki67陽(yáng)性的細(xì)胞的數(shù)目于第1周明顯增多,后隨時(shí)間逐漸減少,但在對(duì)照組中,于脂肪間質(zhì)中只發(fā)現(xiàn)了零星散在的Ki67陽(yáng)性的細(xì)胞,并于各時(shí)間點(diǎn)未見(jiàn)明顯數(shù)量級(jí)變化。統(tǒng)計(jì)結(jié)果(圖3)提示,在不同時(shí)間點(diǎn),實(shí)驗(yàn)組Ki67陽(yáng)性的細(xì)胞的數(shù)目明顯高于對(duì)照組(P<0.05)。并且在實(shí)驗(yàn)組中Ki67陽(yáng)性的細(xì)胞的數(shù)目在第1周達(dá)到峰值,但從第4周第8周逐漸下降(P<0.01)。反之對(duì)照組中細(xì)胞Ki67陽(yáng)性的細(xì)胞的數(shù)目隨時(shí)間沒(méi)有顯著變化,未有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。
圖3 脂肪瓣中細(xì)胞增殖情況檢測(cè)Ki67的免疫組化染色圖及Ki67陽(yáng)性細(xì)胞數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析圖(#和##代表不同時(shí)間點(diǎn)實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組比較,P<0.05,P<0.01;**表示不同時(shí)間點(diǎn)實(shí)驗(yàn)組組間比較,P<0.01);標(biāo)尺=100 mm)Fig.3 The changes of cell proliferation during adipose tissue regeneration at different time pointsImmunohistochemical staining of Ki67 and quantification analysis of Ki67-positive cells in both groups at indicated times(#,##indicated P<0.05 and P<0.01 experimental group compared with control group at different times,respectively;**indicated P<0.01,comparison of experimental group at different times;Scalebars=100 mm)
我們首先檢測(cè)了Lamin B1、Lamin B2、Lamin A/C的表達(dá)情況,結(jié)果顯示(圖4 A),與未施力組相比,EVE作用早期EPAT內(nèi)Lamin A/C的表達(dá)量顯著下降(P<0.05),Lamin B1、Lamin B2的表達(dá)則無(wú)明顯差異。進(jìn)一步通過(guò)免疫化學(xué)檢測(cè)脂肪瓣切片中Lamin A/C的表達(dá),結(jié)果可見(jiàn)(圖4 B),未施力組脂肪瓣內(nèi)可見(jiàn)散在分布于脂肪組織的間質(zhì)中的Lamin A/C陽(yáng)性細(xì)胞,但EVE作用下脂肪瓣內(nèi)Lamin A/C陽(yáng)性細(xì)胞數(shù)量下顯著下降(P<0.01)。
圖4 脂肪瓣內(nèi)差異表達(dá)的Lamins的篩選A:EVE組與對(duì)照組脂肪瓣內(nèi)差異性Lamins的篩選 B:EVE組脂肪瓣內(nèi)Lamin A/C的免疫組化染色圖及Lamin A/C陽(yáng)性細(xì)胞數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析圖(#和##代表不同時(shí)間點(diǎn)實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組比較,P<0.05,P<0.01;**表示不同時(shí)間點(diǎn)實(shí)驗(yàn)組組間比較,P<0.01;標(biāo)尺=100 mm)Fig.4 The changes of Lamins expression during adipose tissue regeneration at different time pointsA:The changes of Lamins expression in both groups at indicated times;B:Immunohistochemical staining of Lamin A/C and quantification analysis of Lamin A/C-positive cells in both groups at indicated times(#,##indicated P<0.05 and P<0.01 experimental group compared with control group at different times,respectively;**indicated P<0.01,comparison of experimental group at different times;Scalebars=100 mm)
通過(guò)“靜態(tài)拉伸系統(tǒng)裝置”將12%、6%、0%的形變分別作用于對(duì)照組和Integrinβ1敲低組ASCs,8 h后,通過(guò)免疫印跡檢測(cè)Lamin A/C在對(duì)照組和Integrinβ 1敲低組中ASCs內(nèi)的表達(dá)程度。結(jié)果顯示(圖5),在不同細(xì)胞形變程度的刺激下,Integrinβ1敲低組ASCs細(xì)胞內(nèi)Lamin A/C的表達(dá)量均高于對(duì)照組(P<0.05)。
圖5 Lamin A/C作為整聯(lián)蛋白β1下游蛋白負(fù)響應(yīng)應(yīng)力刺激對(duì)照組和整聯(lián)蛋白β1慢病毒敲低組,Lamin A/C的免疫印跡圖及免疫印跡灰度值統(tǒng)計(jì)分析圖(#和##表示不同時(shí)間點(diǎn)對(duì)照組與整聯(lián)蛋白β1慢病毒敲低組比較,P<0.05,P<0.01;*和**分別表示不同時(shí)間點(diǎn)的組間比較P<0.05,P<0.01)Fig.5 Inhibition of the Integrin β1 expression o in ASCs reversed the down-regulation of Lamin A/C expression by mechanical stressWestern blot analysis and quantification of Lamin A/C expression in ASCs in wild group and Sh-RNA integrinβ1 group(#,##indicated P<0.05 and P<0.01 control group compared with ShRNA-integrin β1 group,respectively;*,**indicated P<0.05 and P<0.01,comparison of control group at different times,respectively)
通過(guò)“靜態(tài)拉伸系統(tǒng)裝置”將12%、6%、0%的形變分別作用于對(duì)照組和Lamin A/C過(guò)表達(dá)組ASCs,8 h后,通過(guò)細(xì)胞免疫檢熒光檢測(cè)Ki67在對(duì)照組和Lamin A/C過(guò)表達(dá)組中ASCs內(nèi)的表達(dá)程度。結(jié)果顯示,在不同細(xì)胞形變程度的刺激下,Lamin A/C過(guò)表達(dá)組Ki67陽(yáng)性ASCs細(xì)胞數(shù)低于對(duì)照組(P<0.05,圖6)。
圖6 Lamin A/C負(fù)性響應(yīng)應(yīng)力刺激調(diào)控ASCs增殖對(duì)照組和Lamin A/C慢病毒過(guò)表達(dá)組Ki67的免疫熒光染色圖及Ki67陽(yáng)性細(xì)胞數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析圖(#和##表示不同時(shí)間點(diǎn)對(duì)照組與Lamin A/C慢病毒過(guò)表達(dá)組比較,P<0.05,P<0.01;*和**分別表示不同時(shí)間點(diǎn)的組間比較P<0.05,P<0.01;標(biāo)尺=100 mm)Fig.6 Over-expression of the Lamin A/Creversed the proliferation of ASCs by mechanical stress.Immunofluorescence staining of Ki67 and quantification analysis of the number of Ki67 positive cells in control group and Lamin A/C lentivirus over expression group(#,##indicated P<0.05 and P<0.01,control group compared with Lamin A/Cover-expression group,respectively;*,**indicated P<0.05 and P<0.01,comparison of the control group at different times,respectively;Scalebars=100 mm)
脂肪組織工程室技術(shù)是修復(fù)大體軟組織缺損的新方案,其中力學(xué)誘導(dǎo)ASCs增殖是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本實(shí)驗(yàn)證實(shí),新型力學(xué)感受器核纖層蛋白Lamin A/C作為Integrinβ1下游分子,可響應(yīng)力學(xué)刺激,并通過(guò)減低表達(dá)量負(fù)性調(diào)控ASCs增殖,繼而參與力學(xué)誘導(dǎo)的工程室化組織再生。
近年來(lái),細(xì)胞核不僅作為細(xì)胞內(nèi)硬度最高和基因轉(zhuǎn)錄發(fā)生的亞細(xì)胞結(jié)構(gòu),而且作為新型力學(xué)感受器/反應(yīng)器,成為細(xì)胞生物力學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。Lamin A/C不僅可以起到維持核內(nèi)穩(wěn)態(tài)和保護(hù)染色質(zhì)的作用,同時(shí)也可以作為機(jī)械刺激細(xì)胞核內(nèi)的反應(yīng)器,將力學(xué)信號(hào)傳導(dǎo)至核內(nèi),可直接或間接參與基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控[10]。我們首次發(fā)現(xiàn),脂肪組織內(nèi)ASCs內(nèi)Lamin A/C可負(fù)性響應(yīng)力學(xué)刺激,并介導(dǎo)細(xì)胞增殖反應(yīng)。與此類似的是,Qi等[11]探討了細(xì)胞核骨架蛋白Lamin A/C在高血壓高張應(yīng)變誘導(dǎo)血管平滑肌細(xì)胞增殖中的作用及其機(jī)制,發(fā)現(xiàn)了Lamin A/C作為重要的保護(hù)性因子,其表達(dá)降低參與了高血壓高張應(yīng)變誘導(dǎo)的血管平滑肌細(xì)胞異常,并提示有Lamin A/C可能作為高血壓血管重建的潛在靶標(biāo)分子,具有重要的臨床轉(zhuǎn)化價(jià)值。
Lamin A/C作為Integrinβ1下游關(guān)鍵分子,負(fù)性調(diào)控ASCs增殖功能。至此我們證實(shí)細(xì)胞內(nèi)力學(xué)傳導(dǎo)信號(hào)已基于細(xì)胞骨架系統(tǒng)從胞外傳導(dǎo)至胞核。Lamins通LINC復(fù)合體(linker of nucleoskeleton and cytoskeleton complex)與細(xì)胞質(zhì)骨架直接結(jié)合,同時(shí)可直接與染色質(zhì)上DNA片段結(jié)合,這為細(xì)胞內(nèi)力學(xué)信號(hào)的傳導(dǎo)提供了良好路徑[8]。與此同時(shí),染色質(zhì)作為化學(xué)信號(hào)中基因轉(zhuǎn)錄發(fā)生的核心部位,力學(xué)刺激能激活轉(zhuǎn)錄因子(transcription factor,TF)促進(jìn)基因轉(zhuǎn)錄[9]。重要的是,Lamin A/C可與基因啟動(dòng)子區(qū)域內(nèi)的DNA序列或片段結(jié)合,可通過(guò)與DNA片段可逆性結(jié)合,調(diào)控TF轉(zhuǎn)錄[12]。因此Lanin A/C作為細(xì)胞核內(nèi)力學(xué)感受器,起到了將力學(xué)信號(hào)化學(xué)化的關(guān)鍵作用。
本實(shí)驗(yàn)首次證實(shí)了Lamin A/C作為Integrin軸下游關(guān)鍵分子,通過(guò)負(fù)性調(diào)控ASCs增殖參與力學(xué)誘導(dǎo)的工程室化組織再生過(guò)程。本實(shí)驗(yàn)深入探討了工程室化組織再生過(guò)程中種子細(xì)胞ASCs擴(kuò)增的分子機(jī)制,為脂肪組織工程室的臨床應(yīng)用提供了參考依據(jù)。