本文介绍一种基于荧光染料的成像技术,用于检测不透明钛支架上的细胞活力,同时可初步观察支架中的杂质。该方案解决了在不透明支架上成像细胞-细胞或细胞-金属相互作用时存在的技术局限。
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本文介绍一种基于荧光染料的成像技术,用于检测不透明钛支架上的细胞活力,同时可初步观察支架中的杂质。该方案解决了在不透明支架上成像细胞-细胞或细胞-金属相互作用时存在的技术局限。
椎间盘退变和椎间盘突出是导致下腰痛的主要原因之一。细胞外基质的耗竭最终导致髓核(NP)突出,从而引起椎间盘结构破坏。目前可用的外科治疗方法虽可缓解疼痛,但无法恢复脊柱的力学功能。为了保留脊柱的力学特性,全椎间盘或髓核置换因此受到广泛关注。然而,这一关节成形术时代仍处于不成熟阶段,因为现有产品均未经过临床评估。
本研究旨在测试一种由编织钛丝制成的新型髓核植入物的生物相容性。尽管该材料在机械性能方面具有诸多优势,但由于所制备的植入物不透明,因而限制了其在常规光学分析中的应用。本文介绍了一种策略,用于描述 体外 支架上骨软骨祖细胞的可视化、追踪及活力检测。该方案可用于评估清洗方案的效率,同时研究此类及其他不透明支架的生物相容性。此外,该方案还可用于观察细胞在支架表面或内部的黏附模式,以及细胞的活力和增殖速率。 体外 生物相容性测试实验为分析细胞与不透明支架材料之间的相互作用提供了一种有效的工具。
慢性背痛是一种多因素疾病。自20世纪50年代以来,人们对退行性椎间盘疾病微创治疗方案的兴趣日益增长。迄今为止,脊柱多节段融合术仍是应用最广泛的治疗方法。然而,该方法常导致受累节段活动能力受限1,2,因此,椎间关节成形术的研究引起了广泛关注。全椎间盘置换和髓核置换技术的显著进展,已成为治疗慢性背痛的良好替代方案1。尽管取得了巨大进步,但这些方法尚未经过充分的临床评估。在纤维环保持完整的情况下,较柔韧的髓核假体被视为全椎间盘置换的一种有前景的替代选择3,4。然而,目前市场上现有的髓核假体常伴随多种并发症,如椎体形态改变、假体移位、椎间盘垂直高度丢失以及必要的机械刚性不足等问题5。为了克服现有技术的缺陷,一种由编织钛丝制成的新型髓核假体已成功研发6。由于其独特的编织结构,这种新型支架表现出优异的生物力学特性,例如,减震性能、孔径大小、承载能力和可靠性7。为评估该新型髓核假体的生物相容性,研究发现现有的(光学)分析技术因假体不透明的特性而受到严重限制。
为了测试生物相容性,细胞与金属之间的相互作用起着重要作用8-10。细胞与支架之间的相互作用对于稳定支架以及实现植入物在宿主系统内的良好整合至关重要。然而,不断加深的组织长入可能改变支架的力学性能。为了研究支架表面是否能够支持细胞的黏附、增殖和分化,或金属是否影响细胞活力,解决在非透明和不透光支架上成像细胞这一常见且广为人知的技术难题显得尤为重要。为克服这一局限,已探索了多种基于荧光的成像技术。目前市面上有大量荧光染料可供选择,可用于标记活细胞、细胞器,甚至特定的细胞状态11。本实验所用的荧光染料通过在线光谱查看工具进行筛选,以确保其与所使用的荧光显微镜最佳匹配。
分析贴壁细胞在不透明编织钛支架上/内的行为所采用的策略包括以下步骤:1)对骨软骨祖细胞进行荧光标记(绿色荧光蛋白/GFP),以实现对支架上细胞的追踪;2)检测细胞的活力(线粒体活性);3)观察支架内部的细胞-细胞及细胞-材料相互作用。该方法的优势在于可轻松推广应用于其他贴壁细胞及其他不透明或不透光支架。此外,可在数天内连续监测细胞活力和长入模式,因此适用于支架材料或细胞数量有限的情况。
本研究展示了利用当前方案成功测定成骨软骨祖细胞在不透明编织钛支架上/内的细胞活力并可视化其长入模式。此外,所建立的方案还可用于确定支架中的杂质并验证清洗程序。
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注意:实验使用了永生化的人类间充质基质前体细胞(SCP-1 细胞)。SCP-1 细胞由 Matthias Schieker 教授提供12。
1. SCP-1 细胞的扩增
2. SCP-1 细胞计数

3. SCP-1 细胞的 GFP 转染
注意:为了观察 SCP-1 细胞在特定培养周期内在编织钛支架上的生长及向内侵入情况,我们用绿色荧光蛋白(GFP)对细胞进行标记。通过感染编码 GFP 的腺病毒颗粒实现 GFP 的过表达。使用复制缺陷型(-E1/-E3)编码绿色荧光蛋白(GFP)的腺病毒颗粒感染 SCP-1 细胞。病毒颗粒由 Steven Dooley 教授13提供,通过收集转染重组腺病毒(Ad5-GFP)的 HEK293T 细胞的培养上清获得(生物安全二级实验室)。经过三次反复冻融(-80 °C 冻结,37 °C 水浴融化)循环,确保无存活的 HEK293T 细胞残留以产生新的病毒颗粒。使用此腺病毒原液可高效感染 SCP-1 细胞,且不会产生新的病毒颗粒。因此,感染后的细胞可在生物安全一级实验室中操作。
4. 编织钛支架的清洗
5. 通过间接荧光成像支架结构
注意:本方案描述了使用荧光染料硫代罗丹明B通过间接荧光成像支架结构的方法,该染料在激发/发射波长为565/586 nm时可产生明亮的红色荧光。然而,可根据所用显微镜的设置或支架可能存在的自发荧光,更换其他更合适的荧光染料。
6. 体外 生物相容性检测

图 5:体外 检测时间线。 (A)细胞铺板的实验设置。(B)实验流程示意图,强调从第 0 天开始实验方案并验证细胞功能至第 7 天的重要性。请点击此处查看此图的放大版本。
7. 刃天青转化测定
注意:刃天青还原检测法用于测量线粒体活性,从而间接反映细胞增殖情况。刃天青被还原为试卤灵后产生荧光信号,该信号强度与活细胞数量相关的线粒体活性成正比(图7A)。
8. 活死染色
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初步结果显示,所述新型椎体植入物不仅具有良好的减震性能,而且与SCP-1细胞具有良好的生物相容性。在植入物的生产过程中,其会接触强腐蚀性和有毒物质(润滑剂、媒染剂、电抛光液)。借助间接荧光染色技术,我们能够可视化残留的杂质,从而优化清洗方案,显著降低支架上的物质残留量。图3展示了所建立清洗方案的效率。
用于关节成形术治疗的植入物的成功与否,取决于细胞-材料界面发生的事件。图4展示了按照第6节实验方案所述,在接种24小时后细胞在支架上的附着情况。我们观察到SCP-1细胞具有显著的转染效率,能够成像间充质基质前体细胞在支架上的生长模式(参见图2)。直接可视化观察证实了支架的生物相容性,同时也描绘了细胞在支架表面的附着模式(图4)。可进一步通过荧光染色来检测细胞与支架表面的相互作用及其在表面的铺展情况。
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支架表面在其与周围组织的相互作用中起着重要作用 体内 从而确定植入物的功能耐久性。因此,通过以下方法研究支架的生物相容性: 体外 使用细胞(SCP1细胞系)在支架上接种后进行的检测。
对于薄且光学透明的支架具有良好效果的显微技术,却不适用于研究不透明支架的生物相容性。这主要是因为不透明支架会显著阻碍光线穿透并造成严重畸变15。为部分克服这些问题,本文建立了一种利用多种荧光染料对编织钛金属支架上的/内的细胞进行评估的方法。
为了实现钛丝的编织及后续折叠,材料会接触强腐蚀性和有毒物质(润滑剂、媒染剂、电抛光液),如果这些物质的残留物残留在支架内部或表面,可能会改变支架的生物相容性。借助所开发的间接荧光检测方案(方案5),我们能够可视化支架结构。此外,使用ImageJ分析了支架的特性,例如,材料厚度、单个孔径大小与形状,以及连接密度。更高倍数的落射荧光显微图像可用来观察支架内部及表面的杂质。图3b因此证实了所开发的清洗方案的...
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作者声明不存在任何竞争利益。本工作的任何部分均未被或正在被考虑在其他地方发表,也未在其他地方发表过。
本项目部分由德国联邦经济与能源部中小企业中央创新计划(ZIM)资助——项目编号 KF3010902AJ4。出版费用由德国图宾根BG创伤医院承担。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 6/24/48 孔板,T25/T75 培养瓶 | Greiner Bio-One GmbH | * | |
| * 24 孔板 | Greiner Bio-One GmbH | CELLSTAR 662 160 | |
| * 48 孔板 | 康宁公司 美国 | 3548 | |
| * 6 孔板 | Falcon | 353046 | |
| * T25 | Greiner Bio-One GmbH | 690 175 | |
| T75 | Greiner Bio-One GmbH | 658 175 | |
| 乙酸,purum ≥ 99.0% | 卡尔·罗特 | 3738.4 | |
| 丙酮 | 卡尔·罗特 | 5025.1 | |
| Axioplan-2 | 卡尔·蔡司,德国 | ||
| 生物安全柜 | 赛默飞世尔科技 | 安全 2020 | |
| 钙黄绿素乙酰氧基甲酯(calcein AM) | Sigma | 17783 | |
| 细胞培养箱 | Binder,德国图特林根 | 9040-0078 | |
| 滤器单元(0.22 µm) | 默克密理博,IRL | SLGP033RS | |
| 离心机 5810 R 和 5417 R | 赛默飞世尔科技,纽约 | Megafuge 40R | |
| 二甲基亚砜(DMSO) | 卡尔·罗斯 | 4720.2 | |
| 杜尔贝科’不含 Ca 的 PBS &和 Mg | Sigma | H15-002 | |
| 乙醇 99% | SAV 液体产品有限公司 | 475956 | |
| 碘化丙啶同二聚体 | Sigma | 46043 | |
| EVOS 荧光成像系统 | Life technologies | AMF4300 | |
| 胎牛血清(FCS) | Gibco | 10270-106 | |
| 血细胞计数板 | 美国宾夕法尼亚州豪斯尔科学公司 | ||
| Hoechst 33342 | Sigma | 14533-100MG | |
| 编织钛核植入物 | 雄鹿 & KG,德国 | ||
| 含谷氨酰胺但不含核苷的 MEM α 改良培养基 | Sigma | E15-832 | |
| Omega微孔板读板机 | BMG Labtech,德国 | FLUOstar Omega | |
| 青霉素/链霉素 | Sigma | P11-010 | |
| 刃天青钠盐 | Sigma | 199303-1G | |
| 磺酰罗丹明B钠盐 | Sigma | S1402-1G | |
| 试管旋转仪 | Labinco B.V.,荷兰 | Model LD-76 | |
| 三(羟甲基)氨基甲烷 | 卡尔·罗特 | AE15.1 | |
| Triton | 卡尔·罗斯 | 3051.2 | |
| 0.5% 台盼蓝 | 卡尔·罗斯 | CN76.1 | |
| 胰蛋白酶/EDTA | Sigma | L11-004 |
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