本文描述了利用大鼠双侧髌腱缺损模型制备并评估脐带基质来源的间充质干细胞球体的方法。该模型具有可接受的发病率,并能够检测未治疗与治疗肌腱之间的差异,以及所测试的两种治疗方法之间的差异。
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本文描述了利用大鼠双侧髌腱缺损模型制备并评估脐带基质来源的间充质干细胞球体的方法。该模型具有可接受的发病率,并能够检测未治疗与治疗肌腱之间的差异,以及所测试的两种治疗方法之间的差异。
再生医学为传统治疗方法难以应对的疾病提供了新的替代方案。跨物种肌腱病的高发病率和致残性,加之该组织自身有限的愈合能力,促使人们探索细胞治疗策略,并推动了用于评估其疗效的实验模型的发展。脐带基质来源的间充质干细胞(UCM-MSC)是极具吸引力的候选细胞,因其来源丰富、易于采集、避免了伦理争议和畸胎瘤形成风险,且相较于成体组织来源的间充质干细胞,更接近原始胚胎干细胞。壳聚糖通过促进间充质干细胞形成球状体以增强其生物学特性,已引起广泛关注。本文详细描述了分离UCM-MSC、在壳聚糖膜上制备细胞球状体以及分析球状体形成对表面标志物表达影响的技术方法。随后,介绍了建立大鼠双侧髌腱损伤模型的方法,用于 体内 在壳聚糖膜上形成的脐带间充质干细胞球体的植入。研究中未观察到与发病率、应激升高效应或组织感染相关的并发症。术后7天,手术大鼠的总功能评分低于正常大鼠,但在术后28天恢复至正常水平。组织愈合的组织学评分显示,术后7天治疗缺损处存在血凝块,无异物反应;术后28天显示愈合进展良好。该双侧髌腱缺损模型通过在每只大鼠体内建立内部对照,控制了个体间差异,具有可接受的发病率,并能够检测未治疗肌腱与不同治疗之间的差异。
肌腱损伤是跨物种导致显著疼痛和肌肉萎缩的最常见原因之一1。在兽医学中,马的肌腱和韧带损伤尤为受到关注,因为赛马所有损伤中有82%涉及肌肉骨骼系统,其中46%影响肌腱和韧带2,3。瘢痕组织的形成会影响愈合后肌腱的生物力学特性,这也解释了屈肌腱损伤后恢复运动功能的预后较差;在接受保守治疗的马匹中,高达67%在两年内发生再次损伤4。再生医学为这一传统治疗方法难以应对的病症提供了新的替代方案。自体干细胞治疗已取得一些令人鼓舞的结果5,6,但其应用受限于组织采集带来的并发症、细胞处理与重编程导致的治疗延迟,以及患者健康状况(如年龄)对干细胞特性的影响7,8。这些局限性促使人们探索异体干细胞作为即用型治疗手段的可行性。来源于胎儿附属结构的细胞是颇具吸引力的候选来源,因其避免了胚胎干细胞相关的伦理争议及畸胎瘤形成风险。在胎儿附属结构中,脐带基质(UCM),又称华通胶(Wharton's Jelly),资源丰富且易于采集。
无论细胞来源如何,增强干性对于建立同种异体再生医学的细胞库至关重要。从功能角度来看,干性可被定义为细胞自我更新和多向分化的能力。9干细胞特性的证据依赖于增殖与分化实验,以及基因标志物的表达检测 Oct4, Sox2 和 Nanog9一种增强干性的策略是利用生物材料作为空隙填充物和载体,以促进脐带华通胶间充质干细胞(UCM-MSCs)的增殖与分化。该方法避免了通过调控转录因子将成熟细胞重编程为诱导性多能干细胞所带来的担忧。在诸多被考虑作为干细胞载体的生物材料中,壳聚糖因其良好的生物相容性和可降解性而具有吸引力10这种天然氨基多糖是通过甲壳素的碱性脱乙酰化反应形成的,甲壳素是自然界中含量第二丰富的天然多糖,主要作为甲壳类海鲜加工的副产品获得10我们先前研究了间充质干细胞与壳聚糖支架之间的相互作用,观察到球状体的形成11,12,13,14,15,16我们还报道了壳聚糖基质在软骨生成中的优越性12,13,14,15,16,17,18最近,两项独立研究描述了在壳聚糖膜上培养的脂肪组织和胎盘组织来源的间充质干细胞形成球状体的现象。19,20类球体的形成不仅增强了干细胞特性,还提高了干细胞移植后的留存率 体内 植入20.
跨物种肌腱病的高发病率和致病性促使研究人员开发实验模型,以研究肌腱病的病理生理机制,并测试包括干细胞注射在内的新疗法。在马匹中,胶原酶诱导的肌腱炎是利用间充质干细胞(MSCs)进行肌腱修复疗效验证的常用模型21。然而,该方法的应用价值有限,因为注射会引发急性炎症反应,而临床常见的肌腱病通常由慢性过度负荷所致22,23。此外,化学诱导的肌腱病变会触发愈合反应,无法模拟临床病例中常见的愈合障碍过程22,23。已有研究描述通过切除部分指浅屈肌腱作为马匹肌腱炎的手术模型24。最近,还采用了一种微创方法,将创伤性损伤限制于指浅屈肌腱的中央核心区域25。然而,手术模型无法模拟可能导致自然发生肌腱病的疲劳机制,且在损伤程度方面往往缺乏可重复性25。无论采用何种模型,与马匹肌腱病模型相关的高发病率和高成本仍是额外的限制因素,这也说明了为何有必要将啮齿类动物模型作为新型疗法进行体内初步评估的首选方案。
啮齿类动物实验模型的主要优势之一在于其成本较低,并且能够控制个体间的变异性。由于啮齿类动物生长迅速、寿命相对较短,可在多种生理因素方面实现标准化,从而限制变异来源,减少检测差异所需的动物数量。目前建立啮齿类动物肌腱疾病模型的策略主要依赖化学诱导,也可通过手术方式制造部分肌腱缺损。21手术模型可能比化学模型更能模拟天然的肌腱病,但可能导致更高的发病率以及受损肌腱的灾难性断裂。在这方面,大鼠似乎比小鼠更适合作为这类模型,因其体型较大,可制造更大的缺损,从而便于对组织愈合情况进行评估。Sprague-Dawley 大鼠已被用于针对四大主要肌腱群的肌腱病实验研究:肩袖肌腱、屈肌腱、跟腱和髌腱26在这些模型中,涉及髌腱的模型尤其具有吸引力,因为该肌腱尺寸较大且易于获取27髌韧带连接股四头肌与胫骨结节。在此伸肌机制中,髌骨作为一块籽骨,可引导股四头肌的作用力,并界定髌韧带的近端起点。由于髌韧带近端和远端均具有骨性附着点,便于进行生物力学测试。涉及髌韧带的实验模型通常采用单侧手术制造缺损,以对侧未处理的健侧韧带作为对照。28,29最常见的髌腱缺损模型包括从髌骨远端尖部至胫骨结节附着点处切除髌腱中央部分(宽度为1 mm),而对侧髌腱保持完整。结局评估指标包括组织学检查、非破坏性生物力学测试或破坏性生物力学测试、超声成像 离体 荧光成像、大体观察和功能检测28,30,31单侧模型无法在同一只动物体内对拟议的治疗方法与相似损伤的保守治疗进行比较。同样,多种治疗方法之间的比较也需要使用不同的动物。双侧模型可消除个体间差异,并减少研究所需的动物数量32然而,双侧损伤可能增加并发症风险,且双侧跛行可能干扰治疗效果的评估。少数研究简要报道了在大鼠中使用双侧髌腱缺损模型,但其重点在于治疗干预的效果,而非该模型的围手术期管理和并发症情况33,34.
本研究的长期目标是开发一种策略,以提高干细胞特性并 体内 异基因移植用脐带间充质干细胞的存活率。为实现这一目标,我们近期报道了通过在壳聚糖膜上形成球状体并置于低氧环境中培养,可显著增强脐带间充质干细胞的干性35。这些 体外 特性与经条件化处理的脐带间充质干细胞治疗髌腱缺损后生物力学性能的改善相关。根据这些结果,大鼠双侧髌腱缺损模型似乎适用于测试肌腱损伤的候选治疗方法。36本研究的目的是提供详细的实验方案,用于脐带华通胶间充质干细胞(UCM-MSCs)的分离与鉴定、干细胞生物递送系统的制备、双侧髌腱缺损的建立与治疗,以及术后缺损部位组织愈合的恢复与评估。
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本文所述所有方法均已获得西部健康科学大学机构动物照护与使用委员会(IACUC)的批准。
1. 从马脐带基质中分离和扩增间充质干细胞
2. 在壳聚糖薄膜上培养脐带间充质干细胞以制备球形体
3. 通过流式细胞术分析表面标志物的表达
4. 大鼠双侧髌腱缺损模型
5. 在髌腱缺损部位递送间充质干细胞
6. 功能性结果
7. 髌腱的大体外观与组织病理学
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本研究中,结果以均值 ± 标准差(SD)表示。细胞来源于6匹母马的脐带,采用Friedman检验(一种用于重复测量的非参数方差分析)比较标准培养条件与壳聚糖诱导条件下各细胞系表达每种细胞表面标志物的百分比。为建立肌腱缺损模型,术后7天评估使用8只大鼠,术后28天评估使用12只大鼠。功能学结果以均值 ± 均值标准误(SEM)表示,并采用t检验进行比较。选择脐带基质(UCM)作为细胞来源,因其来源丰富、采集方便,且增殖能力优于其他胎儿附属组织来源40。在标准培养皿中培养的UCM来源细胞在整个扩增过程中保持成纤维细胞样形态。当在壳聚糖培养皿中培养时,细胞形成球状体(图8)。
在标准培养条件下,大多数细胞表达CD44(98.6 ± 1.62%)、CD90(88.7 ± 3.04%)和CD105(77.9 ± 6.84%),而CD34(0.07 ± 0.1...
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本研究选择马源细胞,是因为我们最终希望在马匹自然发生的腱病治疗中测试候选方案。实际上,马的肌腱损伤作为人类腱病的天然模型具有吸引力,这是因为马的浅表数字屈肌腱与人类的跟腱在生物学上具有相似性41。根据国际细胞治疗学会推荐的标准,我们选择了细胞表面标志物 CD44、CD90、CD105、CD34 和 MHC II 用于细胞的免疫表型分析42。在最近的一项研究中,无论培养条件如何,eqUCM-MSCs 均表现为 CD44 阳性,CD34 和 MHC II 阴性;在标准条件下培养的细胞还表现为 CD90 和 CD105 阳性,因此符合间充质干细胞(MSCs)在表面标志物表达方面的鉴定标准。此外,本研究首次报道了当 eqUCM-MSCs 在壳聚糖薄膜上培养时可形成细胞球体,这一结果也印证了既往关于人源 MSCs 的研究发现19,20。三维细胞培养技术数十年来已被广泛研究,旨在构建一个类似于生理微环境的培养体系。本研究显示,三维培养条件...
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作者声明无利益冲突。
作者谨此感谢苏博士(PhD)对数据进行的统计学分析。作者同时感谢麦克卢尔博士(DVM,PhD DACLAM)在本研究中所采用的麻醉与镇痛管理方案方面提供的专业建议。本项目获得了西海岸健康科学大学研究副校长办公室基金(编号:12678v)以及美国农业部第1433节基金(编号:2090)的资助支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| PBS 10x | Hyclone | SH30258.01 | 耗材 |
| 胶原酶 IA 型 | Worthington | LS004197 | 耗材 |
| DMEM 低糖培养基 | Hyclone | SH30021.FS | 耗材 |
| 胎牛血清 | Hyclone | SH30910.03 | 耗材 |
| 青霉素/链霉素 100x | Hyclone | SV30010 | 耗材 |
| 0.25% 胰蛋白酶 | Hyclone | SH30042.01 | 耗材 |
| Accutase | Innovative Cell Technologies | AT104 | 耗材 |
| 台盼蓝 | Hyclone | SV30084.01 | 耗材 |
| 二甲基亚砜 | Sigma | D2650 | 耗材 |
| 壳聚糖 | Sigma | C3646 | 耗材 |
| 氢氧化钠 | Sigma | S8045 | 耗材 |
| 牛血清白蛋白 | Hyclone | SH30574.01 | 耗材 |
| 圆底聚苯乙烯管 | Corning | 149591A | 耗材 |
| 小鼠抗马 CD44 (FITC) | AbD serotec | MCA1082F | 耗材 |
| 小鼠抗大鼠 CD90 (FITC) | AbD serotec | MCA47FT | 耗材 |
| 小鼠抗马 MHC-II (FITC) | AbD serotec | MCA1085F | 耗材 |
| 小鼠 IgG1 (FITC) - 同型对照 | AbD serotec | MCA928F | 耗材 |
| 小鼠单克隆抗体 [SN6] 抗 CD105 (FITC) | abcam | ab11415 | 耗材 |
| 小鼠 IgG1 (FITC) - 同型对照 | abcam | ab91356 | 耗材 |
| 小鼠抗人 CD34 (FITC) | BD | BDB560942 | 耗材 |
| 小鼠 IgG1 κ (FITC) | BD | BDB555748 | 耗材 |
| 7-AAD | BD | BDB559925 | 耗材 |
| BD Accuri C6 流式细胞仪 | BD | 设备 | |
| 5 mL 真空采血管 | Med Vet International | RED5.0 | 耗材 |
| 酸性枸橼酸葡萄糖溶液 | Sigma | C3821 | 耗材 |
| 氯化钙 | Sigma | C5670 | 耗材 |
| 七氟烷 | JD Medical | 60307-320-25 | 耗材 |
| 大鼠 | Charles River | 品系编号:400 | 实验动物 |
| 大鼠手术器械包 | Harvard apparatus | 728942 | 设备 |
| 15 号手术刀片 | MEDLINE | MDS15115 | 耗材 |
| 大鼠用 Baytril(2 mg/片), Rimadyl(2 mg/片) | Bio Serv | F06801 | 耗材 |
| 聚乙醇酸 910,5-0 | Ethicon | J436G | 耗材 |
| 伊红醇溶液(Shandon) | Thermo scientific | 6766007 | 耗材 |
| 哈里斯苏木精 | Thermo scientific | 143907 | 耗材 |
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