本实验方案重点利用干细胞固有的能力,即响应其周围细胞外基质的信号,进而被诱导分化为多种表型。本方法学论文扩展了我们对一种双层水凝胶模型的描述与表征,该模型由聚乙二醇-纤维蛋白(PEG-fibrin)和胶原蛋白组成,可同时共诱导脂肪来源的干细胞分化1。
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本实验方案重点利用干细胞固有的能力,即响应其周围细胞外基质的信号,进而被诱导分化为多种表型。本方法学论文扩展了我们对一种双层水凝胶模型的描述与表征,该模型由聚乙二醇-纤维蛋白(PEG-fibrin)和胶原蛋白组成,可同时共诱导脂肪来源的干细胞分化1。
多年来,天然聚合物因其良好的宿主生物相容性以及与细胞相互作用的能力而日益受到重视 体外 和 体内 再生医学领域中一个颇具前景的研究方向是新型生物材料与干细胞的联合应用。组织工程领域的一项基本策略是利用三维支架(例如脱细胞细胞外基质、水凝胶、微/纳米颗粒)来引导细胞功能。该技术的发展源于以下发现:细胞需要一种可附着的基质,以实现增殖,并表达其分化的细胞表型与功能。 2-3最近还发现,细胞不仅利用这些底物进行黏附,还会与基质底物(例如细胞外基质,ECM)相互作用并从中获取信号4因此,细胞与支架之间存在一种相互作用的关系,这种关系有助于调控组织的发育、结构构建及最终功能。脂肪来源的干细胞(ASCs)是存在于脂肪组织中的间充质非造血干细胞,具有多向分化潜能,可作为易于获取的细胞来源(例如前血管内皮细胞和周细胞)。我们的假设是,通过将脂肪来源的干细胞简单地在双层基质中进行共培养,即可同时诱导其向不同表型分化。1我们的实验室专注于皮肤伤口愈合研究。为此,我们利用天然生物材料纤维蛋白、胶原蛋白和壳聚糖构建了一种单一复合基质,可模拟皮肤特异性伤口愈合过程中细胞外基质(ECM)环境的特性与功能。
1. 分离脂肪来源的干细胞(ASCs)1, 5
注意:除非另有说明,所有操作均在室温下进行。
2. 壳聚糖微球(CSMs)的制备
注意:除非另有说明,所有操作均在室温下进行。
3. 测定 CSM 中游离氨基的数量
注意:除非另有说明,所有操作均在室温下进行。
4. 在 CSM 中加载 ASC
注意:除非另有说明,所有操作均在室温下进行。
5. 测定 CSM 中 ASC 的加载率和细胞活力
注意:除非另有说明,所有操作均在室温下进行。
6. PEG-纤维蛋白凝胶中嵌入的ASC-CSM的制备与表征
注意:除非另有说明,所有步骤均在室温下进行。
7. 胶原凝胶中嵌入的ASC-CSM的制备与表征
注意:除非另有说明,所有操作均在室温下进行。
8. 双层 PEG-纤维蛋白-(ASC-CSM)-胶原凝胶构建体的制备
注意:除非另有说明,所有操作均在室温下进行。
9. 配制储备液
注意:除非另有说明,所有步骤均在室温下进行。
10. 代表性结果
本技术的总体目标是展示利用复合干细胞基质(CSM)作为递送载体,实现ASC向多种表型同步基质驱动分化的潜力。我们展示了这一 体外 将源自CSMs的干细胞递送至双层胶原-PEG-纤维蛋白支架的策略。对嵌入该支架中的ASC进行表征发现,负载ASC的CSMs可被“夹”于胶原层与PEG-纤维蛋白层之间,同时分别响应两种不同的细胞外环境信号,从而在新环境中良好增殖。我们首先评估了该模型系统维持细胞活力与迁移能力的效果。胶原基质支持ASC维持其“干性”,这一点通过其Stro-1的表达及成纤维细胞样形态得以证实图2D和2F)。相比之下,PEG-纤维蛋白诱导ASCs向血管表型分化,表现为形成管状结构形态以及特异性表达内皮细胞标志物血管性血友病因子(von Willebrand factor,图2E和2G),以及NG2和血小板源性生长因子受体β(PDGFRβ)在周细胞中的特异性表达(数据未显示)。此外,这些观察到的表型在培养早期即出现,并可持续维持超过11天,如图所示 图3.
表格与图示
双层结构的优点:

图1. 技术整体目标与流程的示意图。1) 将脂肪来源的干细胞(ASCs)接种至壳聚糖微球上。2) 将胶原蛋白倒入6孔插入式培养皿中,调节pH值使其形成纤维,然后将插入式培养皿置于6孔板腔室中。接着将负载ASC的CSM微球铺在胶原蛋白上。3) 再将PEG化纤维蛋白原溶液倒入胶原蛋白(ASC-CSM)表面,并通过加入凝血酶使其凝胶化。4) 最终形成的双层结构可从培养插入物中取出,用于体外(in vitro)或体内(in vivo)分析。

图 2. 在胶原蛋白和 PEG-纤维蛋白 3D 基质中培养的 ASC 的表征。A) 采用常规二维细胞培养技术传代并维持的分离 ASC 的相差显微照片。照片 B、D 和 F 显示在三维胶原凝胶中培养的 ASC-CSM;而 C、E 和 G 显示在三维 PEG-纤维蛋白凝胶中培养的 ASC-CSM,均为第 12 天的结果。在 B 和 C) 中,可见 ASC 从 CSM 球体向外迁移。在胶原蛋白中,ASC 呈扁平、纺锤形形态(B),同时保持干细胞标志物 Stro-1 的表达(D;箭头)。当在 PEG-纤维蛋白中培养时,ASC 表现出更多管状结构,并被诱导表达血管细胞标志物,如冯·维勒布兰德因子(E)。透射电子显微镜显示了 ASC 在每种支架中表现出的典型形态。在胶原凝胶中的 ASC 显示从细胞体延伸出较短的 filopodia(fl)(F),而 ASC 通常形成管腔结构(标记为 L)(G;箭头)。

图3. 脂肪源性干细胞细胞球体(ASC-CSMs)在胶原蛋白与PEG-纤维蛋白凝胶双层结构间的形态学分析。将ASC-CSMs“夹在”胶原蛋白与PEG-纤维蛋白凝胶之间,并在体外培养11天。左列显示脂肪源性干细胞在胶原基质内迁移与增殖,呈现纺锤样形态。右列显示脂肪源性干细胞从细胞球体向外迁移,并在PEG-纤维蛋白凝胶中形成管状结构。
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ASC 因其易于分离以及向多种细胞类型分化的能力而广为人知。通过本文所述技术,我们能够通过将这些细胞同时暴露于多种生物基质中,以充分利用 ASC 的可塑性。当细胞从其 CSM 基底迁移并进入周围的细胞外环境时,会受到支架材料的信号引导,从而维持“干细胞特性”(胶原)或被诱导分化为血管及支持血管形成的细胞类型(纤维蛋白)。由于本实验室专注于皮肤和软组织创伤修复,我们策略性地采用了胶原与纤维蛋白的双层结构,因为胶原可支持宿主的真皮和表皮再生,而纤维蛋白则天然促进血管网络的形成9。此外,目前人们已认识到增殖中的皮肤角质形成细胞、成纤维细胞与下方血管网络之间存在相互作用,这一复杂机制对实现正常的伤口愈合至关重要10。若缺乏下方的血管网络,组织工程化皮肤移植物将难以与宿主组织建立有效吻合。因此,我们的总体假设是:当胶原与纤维蛋白以双层结构联合 ASC 使用时,可通过改善血管生成、真皮再生及再上皮化过程中的一个或多个阶段,从而缩短伤口愈合时间。
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免责声明
本文所包含的观点或主张均为作者的个人见解,不应被视为官方立场,也不代表美国国防部或美国政府的观点。作者为美国政府雇员,本工作系其履行公务期间完成。所有研究工作均由美国陆军医学研究与物资司令部资助。本研究根据经美国陆军医学研究与物资司令部机构审查委员会审查并批准的方案进行,并严格遵循已批准的方案执行。
S.N. 获得匹兹堡组织工程倡议博士后奖学金资助。D.O.Z. 获得日内瓦基金会资助项目的资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 汉克斯平衡盐溶液(HBSS) | GIBCO, by Life Technologies | 14175 | 耗材 |
| 胎牛血清 | Hyclone | SH30071.03 | 耗材 |
| II型胶原酶 | Sigma-Aldrich | C6685 | 耗材 |
| 70-μm 尼龙网滤器 | BD Biosciences | 352350 | 耗材 |
| 100-μm 尼龙网滤器 | BD Biosciences | 352360 | 耗材 |
| MesenPRO 生长培养基系统 | Invitrogen | 12746-012 | 耗材 |
| L-谷氨酰胺 | GIBCO, by Life Technologies | 25030 | 耗材 |
| CaCl2.2H2O | Sigma-Aldrich | C8106 | 耗材 |
| T75 组织培养瓶 | BD Biosciences | 137787 | 耗材 |
| 壳聚糖 | Sigma-Aldrich | 448869 | 耗材 |
| 乙酸 | Sigma-Aldrich | 320099 | 耗材 |
| 正辛醇 | Acros Organics | 150630025 | 耗材 |
| 司盘-80 | Sigma-Aldrich | S6760 | 耗材 |
| 氢氧化钾 | Sigma-Aldrich | P1767 | 耗材 |
| 丙酮 | Fisher Scientific | L-4859 | 耗材 |
| 乙醇 | Sigma-Aldrich | 270741 | 耗材 |
| 三硝基苯磺酸 | Sigma-Aldrich | P2297 | 耗材 |
| 盐酸 | Sigma-Aldrich | 320331 | 耗材 |
| 乙醚 | Sigma-Aldrich | 472-484 | 耗材 |
| 8-μm 组织培养板插件 | BD Biosciences | 353097 | 耗材 |
| 1.5-ml 微量离心管 | Fisher Scientific | 05-408-129 | 耗材 |
| MTT试剂 | Invitrogen | M6494 | 耗材 |
| 二甲基亚砜 | Sigma-Aldrich | D8779 | 耗材 |
| Qtracker 细胞标记试剂盒(Q Tracker 655) | Molecular Probes, Life Technologies | Q2502PMP | 耗材 |
| I型胶原蛋白 | Travigen | 3447-020-01 | 耗材 |
| 氢氧化钠 | Sigma-Aldrich | S8045 | 耗材 |
| 12孔组织培养板 | BD Biosciences | 353043 | 耗材 |
| 纤维蛋白原 | Sigma-Aldrich | F3879 | 耗材 |
| 凝血酶 | Sigma-Aldrich | T6884 | 耗材 |
| 聚乙烯苯并三唑衍生物 | Sunbio | DE-034GS | 耗材 |
| Tris缓冲片(pH 7.6) | Sigma-Aldrich | T5030 | 耗材 |
| 离心机 | Eppendorf | 5417R | 设备 |
| 旋转摇床 | New Brunswick Scientific | C24 | 设备 |
| 带5% CO2的恒温培养箱 | Thermo Fisher Scientific, Inc. | Model 370 | 设备 |
| 顶置式搅拌器 | IKA | Visc6000 | 设备 |
| 磁力搅拌器 | Corning | PC-210 | 设备 |
| 真空干燥器 | - | - | 设备 |
| 粒径分析仪 | Malvern Instruments | STP2000 Spraytec | 设备 |
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| 分光光度计 | Beckman Coulter Inc. | Beckman Coulter DU 800UV/Visible 分光光度计 | 设备 |
| 涡旋振荡器 | Diagger | 3030a | 设备 |
| 酶标仪 | Molecular Devices | SpectraMax M2 | 设备 |
| 光学/荧光显微镜 | Olympus Corporation | IX71 | 设备 |
| 共聚焦显微镜 | Olympus Corporation | FV-500 激光扫描共聚焦显微镜 | 设备 |
| 扫描电子显微镜 | Carl Zeiss, Inc. | Leo 435 VP | 设备 |
| 透射电子显微镜 | JEOL | JEOL 1230 | 设备 |
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