本文介绍了一种优化的、高度可重复的人骨髓(hBM)中胚层祖细胞(MPCs)分离方案。通过流式细胞术和巢蛋白(nestin)表达对MPCs进行了表征。这些细胞能够产生呈指数生长的类似间充质干细胞(MSC)的细胞培养物,同时保留其血管生成潜能。
方法文章
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本文介绍了一种优化的、高度可重复的人骨髓(hBM)中胚层祖细胞(MPCs)分离方案。通过流式细胞术和巢蛋白(nestin)表达对MPCs进行了表征。这些细胞能够产生呈指数生长的类似间充质干细胞(MSC)的细胞培养物,同时保留其血管生成潜能。
在一项旨在分离用于临床应用的人类骨髓(hBM)来源的间充质基质细胞(MSCs)的研究中,我们鉴定出一种新型细胞群体,该群体可在添加人血清的培养基中特异性生长。这些细胞在形态学、表型和分子特征上均与MSCs不同,我们将其命名为中胚层祖细胞(Mesodermal Progenitor Cells, MPCs)。MPCs呈圆形,具有致密且高度折光的核心区域;它们对塑料表面具有强而耐胰蛋白酶的黏附性。MPCs难以扩增的结果直接表明其细胞周期缓慢,Ki-67阴性也进一步支持了这一特性。另一方面,将MPCs培养于专为MSC扩增设计的标准培养基中,可产生一群呈指数生长的、类似MSC的细胞。除了具备间充质分化潜能外,MPCs还保留了促血管生成潜能,证实其具有多谱系祖细胞的特性。本文中,我们描述了一种优化的、高度可重复的方案,用于通过流式细胞术(CD73、CD90、CD31和CD45)、巢蛋白(nestin)表达以及F-actin结构来分离和鉴定hBM-MPCs。同时提供了MPCs向间充质系和血管生成方向分化的实验方案。此外,我们建议对这些细胞采用更为恰当的命名,现已将其重新命名为“促血管生成性中胚层祖细胞”(Mesangiogenic Progenitor Cells)。
间充质基质细胞(MSCs)因其多向分化潜能以及支持造血、分泌生长因子/细胞因子并在免疫调节中发挥作用的能力,具有重要的临床应用价值1。在基于MSC的治疗定义中,细胞的生产与应用已成为大量临床及临床前研究的重点2,尤其关注针对细胞治疗药物(CBMP)安全性和有效性的特定国际法规3。目前,人源MSC广泛使用含有动物来源补充物和试剂的培养基进行扩增,例如胎牛血清(FBS)和牛胰蛋白酶。因此,除了细胞操作相关的感染风险外,患者还可能面临朊病毒暴露风险,以及因动物来源的蛋白质、多肽或其他生物分子在细胞收获和移植后仍可能残留而引发的免疫学风险4。
为解决这一问题,我们采用无动物成分的培养基培养人骨髓来源的间充质干细胞(hBM-MSCs),以人AB型混合血清(PhABS)替代胎牛血清(FBS)。在此条件下,除了培养MSCs外,我们还鉴定出一种新的细胞群体。这些细胞在形态学和表型上均不同于MSCs,具有独特的基因表达谱以及特征性的生长/黏附特性。它们保留了中胚层分化潜能和促血管生成潜能,因此被命名为中胚层祖细胞(Mesodermal Progenitor Cells, MPCs)5。随后,我们成功确定了可选择性且可重复的培养条件,能够以高纯度获得MPCs6。
我们进一步研究了MPC的形态学和生物学特性。MPC呈nestin阳性,细胞周期缓慢,Ki-67阴性,其染色体具有较长的端粒5。它们表达多能性相关转录因子Oct-4和Nanog,而不表达间充质干细胞(MSC)主调控因子Runx2和Sox97。在表型上,MPC表达内皮糖蛋白(CD105)的水平低于MSC,且缺乏间充质标志物CD73、CD90和CD166。MPC还表现出独特的黏附分子表达模式,持续表达血小板-内皮细胞黏附分子(PECAM,CD31)、整合素αL(CD11a)、αM(CD11b)、αX(CD11c)以及整合素β2(CD18),后者可特异性维持类足体样结构8。在标准MSC扩增培养基中,MPC通过一个中间阶段迅速分化为MSC,该过程涉及Wnt5/钙调蛋白细胞信号通路的激活9。此外,MPC保留了血管生成能力,表现为在小鼠细胞外基质(ECM)蛋白三维培养中能够从小球体出芽形成血管样结构。然而,当MPC沿间充质谱系分化后,其血管生成潜能迅速丧失。
本文介绍了从人骨髓(hBM)血液样本中分离和表征高纯度MPC的优化方案。同时描述了MPC成间质和促血管生成分化的可重复性实验方案。
注意:在获得书面知情同意后,于髋关节置换术期间采集人骨髓(hBM)样本。在股骨颈截骨后、股骨扩髓前,立即使用含有500 U.I.肝素的20 ml注射器抽取新鲜骨髓。该方案可广泛适用于任何骨髓来源。
1. 人骨髓单个核细胞(hBM-MNCs)的分离
2. 从人骨髓单个核细胞中分离MPC
3. 细胞表征
4. MPCs 的中胚层分化
5. MPC 球状体出芽实验
本文所述的选择性培养条件已成功分离出一种新型的贴壁且几乎呈单形性的细胞群体,占人骨髓单个核细胞(hBM-MNCs)的1.0%(从5–10 ml新鲜骨髓样本中获得0.5–2.0 × 106个hBM-MNCs)5,6。我们鉴定出这些较大(直径40–60 µm)、呈圆形、静息状态且Ki-67阴性的细胞为MPCs5。在形态学上,它们具有明显的“煎蛋样”外形,中心区域较厚,周围为扁平而薄的边缘,在高倍镜下可见大量丝状伪足(图1 A.1中的白色箭头)。细胞外边界常出现极性伸长现象(图1 A.1中的黑色箭头)。这种形态明显不同于标准MSC培养中报道的典型纺锤形间充质基质细胞形态。流式细胞术分析显示,超过95%的新鲜分离MPCs表达CD31和CD45,而间充质相关标志物CD90和CD7313则无法检测到(图1 A.2)。我们认为这四种抗原的特定表达模式是MPCs的指示性特征。MPCs的其他鉴别特征包括呈点状分布的F-actin,显示出多个类似足体(podosome-like)结构(图1 A.3中的红色信号),以及nestin的强烈表达(图1 A.3中的绿色信号),而在使用同型对照抗体染色的细胞中未检测到nestin表达(数据未显示)。
在专为MSC扩增设计的标准RS培养基中培养MPC,会导致其迅速分化为呈指数生长的MSC样细胞(图1 B.1)。经过两次传代后,细胞的表型最终从CD73negCD90negCD45+CD31+转变为CD73+CD90+CD45negCD31neg(图1 B.2)。在此过程中,MPC将F-actin重组为应力纤维,而nestin的表达则局限于极少数稀有细胞中(图1 B.3)。MPC向明确的MSC样表型的间充质分化通过两个不同的阶段进行,这两个阶段可通过不同的细胞形态加以识别。在MSC RS培养基中培养一周后,在融合的扁平、多角形多分支细胞层中仍可检测到少量MPC样细胞的存在(图2 A中的P1-MSCs)。需再进行一次传代,才能获得几乎单形性的纺锤形MSC样细胞群体(图2 A中的P2-MSCs)。这些呈指数生长的细胞在转入选择性诱导培养基培养至少2周后,可轻易分化为成骨细胞或脂肪细胞,从而证实其MSC特性。在成骨诱导培养物中,可通过比色法的茜素红染色或特异性荧光染料(图2 B中绿色)检测到钙盐沉积。经脂肪诱导后,细胞内脂滴积聚,可通过比色法油红O染色或荧光尼罗红染色(图2 B中红色)显示。
通过出芽性血管生成实验确认了MPC的分型。在VEGF刺激24小时后,MPC表现出侵袭能力,可从3D球状体侵入小鼠ECM蛋白凝胶超过50 µm(图2 C)。一周后,可在距原位300 - 600 µm处检测到侵袭细胞。相反,P2-MSC在成间质细胞分化后丧失了侵袭能力(图2 D)。

图1. freshly isolated MPCs 具有显著特征。 将 hBM-MNCs 在 DMEM/10% PhABS 培养基中培养七天后,可获得一群静息状态的 MPCs (A),其在形态学(A.1,B.1,比例尺 = 100 µm)、表型(A.2,B.2)、F-actin 分布(A.3 和 B.3 中红色信号)以及 nestin 表达(A.3 和 B.3 中绿色信号,比例尺 = 20 µm)等方面均明显区别于 MSCs (B)。请点击此处查看该图的放大版本。

图2. MPCs可分化为标准MSCs,并在体外表现出出芽性血管生成 in vitro。 将DMEM/PhABS替换为市售的专用于MSC扩增的RS培养基,可诱导MPC发生间充质向分化。培养一周后,仍可检测到少量残留的MPC(P1-MSCs),而在MSC-RS培养基中进一步传代后,则形成融合状态的MSC样细胞群体(P2-MSCs,A 比例尺 = 100 µm)。在适当刺激下,P2-MSCs可终末分化为成骨细胞或脂肪细胞,分别表现为钙盐沉积(B中绿色)和脂滴积累(B中红色,比例尺 = 200 µm)。MPC在小鼠ECM蛋白凝胶中可稳定地从球状体出芽(C),而P2-MSCs则无此现象(D,比例尺 = 1.0 mm)。请点击此处查看该图的放大版本。
在过去的几十年中,间充质干细胞(MSCs)已被广泛研究,并在多种骨骼/关节、免疫、神经、心血管、胃肠道及血液系统疾病的治疗中进行了临床前评估。14,15多能间充质干细胞(MSCs)可从多种不同组织中简便且低成本地分离获得,且具有较低的免疫原性16,使得这些细胞成为细胞治疗应用中最引人关注的细胞群体之一。然而,其在原始组织中的极低频率严重限制了间充质干细胞在临床中的应用,因而必须对这些细胞进行扩增, 体外 在输注或移植之前。
扩增的MSC培养物显示出高度的异质性和变异性17-19,使得在MSC的制备和表征方案上难以达成共识。此外,最近的研究表明,在多种组织中存在多种in vivo MSC前体细胞,这些细胞导致了培养物的异质性10,20。事实上,已有研究提出,特定的培养条件可能选择性地富集或促进“原始”且未经处理的样本(如骨髓单个核细胞(hBM-MNCs)或脂肪组织的基质血管组分)中以不同比例存在的MSC前体细胞的特定亚群2。因此,MSC起始细胞群体的差异性,加上所采用的各种富集/分离和培养方案的多样性,构成了实现可行的MSC基础治疗的重大障碍。
影响间充质干细胞(MSC)培养物异质性的关键因素之一是血清补充物21。在我们的实验中,使用PhABS替代FBS,并结合在疏水性塑料表面高密度接种人骨髓单个核细胞(hBM-MNCs),成功分离出一种具有独特生物学特性的新型高贴壁细胞群体,即MPCs5,6。我们还观察到,在FBS为主的原代培养体系中添加少量PhABS也可实现MPC的分离,提示人血清中存在可诱导MPC生成的活性成分6。目前,MPC的分离与鉴定方案是唯一可用于获得近乎纯化MPC群体的方法。该方案经过精细优化,具有高度可重复性,适用于在进一步应用前对MPC制备物进行质量筛选。
MPC 可用作 MSC 生产的来源,从而限制使用未分选起始材料所引入的变异性。明确界定文献中报道的 MPC 成间质系分化过程中的多个步骤9,将有助于实现间充质细胞的同步扩增。然而,这一理想状态只有在应用高度纯化的 MPC 群体时才能实现,因此,对本方案所获得细胞产物的表征显得至关重要。已有研究报道,该分离方法可实现 MPC 的回收,纯度通常约为 95%。然而,由于供体/患者之间的差异,以及所使用不同批次人混合血清带来的变异性,在选择性条件下,可能导致相当比例的类 MSC 细胞与 MPC 共同被分离出来。
目前尚不清楚这些“污染性”的类似MSC细胞是否可能来源于骨髓中描述的其他不同类型in vivo前体细胞22,或源于不受控且自发的MPC分化。无论何种情况,MPC产物中稳定存在的一定比例的类似MSC细胞,使得这些细胞无法作为均一的起始材料用于MSC扩增。因此,本文提出一种基于MPC对胰蛋白酶消化具有抗性的简单且低成本方法,以提高MPC产物的纯度。通过荧光或磁性细胞分选技术进行CD73和/或CD90耗竭,也可获得相似甚至更优的MPC培养纯化效果,但会显著延长操作时间并增加成本。
此外,MPCs 表达多能性相关标志物和 Nestin,这些标志物在向间充质谱系分化过程中迅速丢失7。出芽实验显示 MPCs 能够侵入小鼠 ECM 蛋白凝胶。综合这些结果表明,MPCs 应被视为一种更为原始的前体细胞,保留了血管生成潜能。然而,目前对 MPCs 向中胚层分化潜能的最初热情正在减退。事实上,在对 MPCs 进行了超过 7 年的研究后,其向间充质和血管生成方向的分化潜能虽已被广泛描述5-9,但尚未有证据表明其可分化为其他中胚层来源的细胞类型。因此,本文提出对这类细胞采用一种新的、更为严谨的定义,即“间血管前体细胞”(Mesangiogenic Progenitor Cells),并保留其缩写 MPCs。
我们还认为,关于间充质干细胞促血管生成潜能的大多数争议可能与扩增培养物的异质性组成有关,这些培养物包含不同比例的间充质前体细胞(MPCs)和间充质干细胞(MSCs)23。
最后,MPCs 在适用于组织重建的 CBMPs 实施过程中也可能发挥关键作用,因为这些细胞还可支持新生血管形成。事实上,未来的再生研究应考虑到,新形成组织的生长需要伴随的新生血管生成来提供支持。MPCs 中间充质分化潜能与血管生成潜能的共存,可显著提升涉及这些有趣细胞的新型治疗策略的再生能力。
作者无竞争性财务利益或其他利益冲突。
作者特别感谢比萨大学外科、医学和分子病理学与重症监护医学系的 Paolo Parchi 博士,感谢他提供骨髓样本以及在人类骨祖细胞研究方面的专业知识
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| Matrigel 基底膜基质 | BD Bioscience (美国加利福尼亚州圣何塞) | 354230 | 小鼠 ECM 蛋白 储存浓度:100% (9 - 12 mg/ml) 最终浓度:100% |
| 杜氏磷酸盐缓冲液 (D-PBS) | Sigma (美国密苏里州圣路易斯) | D8537 | |
| 70 μm 滤膜 | Miltenyi Biotec (德国贝尔吉施格拉德巴赫) | 130-095-823 | |
| Ficoll-Paque PREMIUM | GE Healthcare (瑞典乌普萨拉) | 17-5442-03 | 不连续密度梯度离心介质 |
| 人 AB 型混合血清 (PhABS) | LONZA (美国马里兰州沃克维尔) | 14-490E | 最终浓度:10% |
| Glutamax-I | ThermoFisher (美国马萨诸塞州沃尔瑟姆 ) | 35050-038 | 稳定型 L-谷氨酰胺 储存浓度:100x 最终浓度:2 mM |
| 牛血清白蛋白 (BSA) | Sigma (美国密苏里州圣路易斯) | A8412 | 储存浓度:7.5% 最终浓度:0.5% |
| 叠氮化钠 | Sigma (美国密苏里州圣路易斯) | S8032 | 最终浓度:0.02% |
| 青霉素/链霉素 (Pen Strep) | Gibco (美国纽约州大岛) | 15070-063 | 抗生素 储存浓度:5,000 UI/ml 青霉素,5,000 μg/ml 链霉素 最终浓度:50 UI/ml 青霉素,50 μg/ml 链霉素 |
| 悬浮培养用 T-75 培养瓶 | Greiner Bio-one (德国弗里克豪森) | 658 190 | |
| T-75 细胞培养处理培养瓶 | Greiner Bio-one (德国弗里克豪森) | 658170 | |
| TrypLE Select | ThermoFisher (美国马萨诸塞州沃尔瑟姆 ) | 12563-011 | 无动物源性蛋白酶解离溶液 储存浓度:1x 最终浓度:1x |
| 胰蛋白酶/EDTA | ThermoFisher (美国马萨诸塞州沃尔瑟姆 ) | 15400-054 | 无酚红 储存浓度:0.5% 最终浓度:0.25% |
| 抗 CD90 APC 抗体 (CD90) | MiltenyiBiotec (德国贝尔吉施格拉德巴赫) | 130-095-402 | 最终浓度:1:40 |
| 抗 CD45 APC-Vio770 抗体 (CD45) | MiltenyiBiotec (德国贝尔吉施格拉德巴赫) | 130-096-609 | 最终浓度:1:40 |
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| 抗 CD31 PE Vio-770 抗体 (CD31) | MiltenyiBiotec (德国贝尔吉施格拉德巴赫) | 130-105-260 | 最终浓度:1:40 |
| 小鼠 IgG1 APC 抗体 | MiltenyiBiotec (德国贝尔吉施格拉德巴赫) | 130-098-846 | 最终浓度:1:40 |
| 小鼠 IgG2a APC Vio770 抗体 | MiltenyiBiotec (德国贝尔吉施格拉德巴赫) | 130-096-637 | 最终浓度:1:40 |
| 小鼠 IgG1 PE 抗体 | MiltenyiBiotec (德国贝尔吉施格拉德巴赫) | 130-098-845 | 最终浓度:1:40 |
| 小鼠 IgG1 PE Vio-770 抗体 | MiltenyiBiotec (德国贝尔吉施格拉德巴赫) | 130-098-563 | 最终浓度:1:40 |
| 低糖 Dulbecco 改良 Eagle 培养基 (DMEM) | ThermoFisher (美国马萨诸塞州沃尔瑟姆 ) | 13-1331-82 | 无酚红最低必需培养基 储存浓度:1,000 mg/L 葡萄糖 |
| 胎牛血清 (FBS) | ThermoFisher (美国马萨诸塞州沃尔瑟姆 ) | 10500 | 储存浓度:0.2 mg/ml 最终浓度:2 μg/ml |
| 含 4’,6-二脒基-2-苯基吲哚的 Prolong Gold 抗荧光淬灭封片剂 | Invitrogen (美国马萨诸塞州沃尔瑟姆 ) | P-36931 | 水性封片介质 + DAPI 最终浓度:1x |
| 多聚甲醛 | Sigma (美国密苏里州圣路易斯) | P6148 | 固定剂 最终浓度:4% |
| LAB-TEK 双孔腔室载玻片 | Sigma (美国密苏里州圣路易斯) | C6682 | |
| 抗 Nestin 抗体 [克隆 10C2] | Abcam (英国剑桥) | ab2035 | 储存浓度:1 mg/ml 最终浓度:7 μg/ml |
| Alexa Fluor 555 鬼笔环肽 | ThermoFisher (美国马萨诸塞州沃尔瑟姆 ) | A34055 | 储存浓度:200 UI/ml 最终浓度:5 UI/ml |
| 吐温 X-100 | Euroclone (意大利米兰) | EMR237500 | 最终浓度:0.05% |
| MesenPRO RS 培养基 (MSC-RS 培养基) | ThermoFisher (美国马萨诸塞州沃尔瑟姆 ) | 12746-012 | |
| Alexa Fluor 488 抗小鼠 SFX 试剂盒 | ThermoFisher (美国马萨诸塞州沃尔瑟姆 ) | A31619 | 山羊抗小鼠二抗 + 信号增强剂 储存浓度:2 mg/ml 最终浓度:2 μg/ml |
| 巴斯德吸管 | Kartell Labware (意大利诺维廖 (MI)) | 329 | |
| StemMACS AdipoDiff 培养基 | MiltenyiBiotec (德国贝尔吉施格拉德巴赫) | 130-091-679 | |
| StemMACS OsteoDiff 培养基 | MiltenyiBiotec (德国贝尔吉施格拉德巴赫) | 130-091-678 | |
| Osteoimage 骨矿化检测试剂盒 | LONZA (美国马里兰州沃克维尔) | PA-1503 | 特异性针对羟基磷灰石的荧光染色溶液 |
| 50 ml 聚苯乙烯锥形管 | Greiner bio-one (奥地利克雷姆斯明斯特ünster ) | 227261 | |
| 尼罗红 | ThermoFisher (美国马萨诸塞州沃尔瑟姆 ) | N1142 | 脂质荧光染色溶液 储存浓度:100 mM 最终浓度:200 Nm |
| 甘油 | Sigma (美国密苏里州圣路易斯) | G2289 | 最终浓度:50% |
| 聚苯乙烯培养皿 | Sigma (美国密苏里州圣路易斯) | P5606 | |
| 24 孔细胞培养处理板 | Greiner Bio-one GmbH (德国弗里克豪森) | 662160 | |
| 内皮细胞生长培养基 EGM-2 BulletKit (EGM-2) | LONZA (美国马里兰州沃克维尔) | CC-3162 | 富含 VEGF 的内皮细胞生长培养基 |
| Leica Qwin 图像分析软件 | Leica (德国韦茨拉尔) | 图像分析软件 |
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