本文提供了一种从致心律失常性心肌病患者心内膜心肌活检样本中分离心脏间充质基质细胞的方法,并描述了这些细胞的表征及其促进成脂分化的实验方案。
方法文章
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本文提供了一种从致心律失常性心肌病患者心内膜心肌活检样本中分离心脏间充质基质细胞的方法,并描述了这些细胞的表征及其促进成脂分化的实验方案。
正常成人心脏由多种不同类型的细胞组成,其中心脏间充质基质细胞是数量丰富的细胞群体。分离这些细胞不仅有助于研究其在心脏疾病中的作用,还可提供一种有用的原代细胞模型,用于探究生物学机制。
本文描述了从致心律失常性心肌病(ACM)患者心内膜活检样本中分离C-MSC的方法。心内膜心肌活检在电-解剖标测所显示的瘢痕邻近的右心室区域进行引导取样。活检组织经胶原酶消化后,接种于含培养基的塑料培养皿中,以促进C-MSC的生长。分离的细胞可在体外培养中连续传代扩增。为确认其间充质细胞表型,文中提供了免疫表型鉴定方法。C-MSC具有向多种细胞类型分化的能力,包括脂肪细胞、软骨细胞和成骨细胞;鉴于ACM患者心脏中存在脂肪细胞沉积的特征,本文还详细描述了C-MSC向脂肪细胞分化的实验方案以及脂滴积累的鉴定方法。
间充质基质细胞(MSC)是一类在多种组织中具有重要支持功能的成体细胞1。骨髓是MSC的传统来源,但也可从其他多种组织中分离获得,包括胎盘、脂肪组织、脐带血、肝脏和心脏1,2。
2006年,国际细胞治疗学会(International Society for Cellular Therapy, ISCT)首次明确规定了定义人类MSC的最低标准3。具体而言,MSC必须具有贴附于塑料表面的能力。它们表达特定的表面抗原:对CD44、CD105、CD29和CD90等间充质标记物呈阳性,对CD14、CD45、CD34和CD31等造血及内皮细胞标记物呈阴性,这是MSC的特征。由于不表达HLA-DR,MSC不会引发同种异体免疫反应。此外,MSC具有多向分化潜能,可分化为脂肪细胞、软骨细胞和成骨细胞谱系1,3。
关注心脏的细胞组成,心脏间充质基质细胞(C-MSC)在正常成人心脏中含量丰富4,5。它们在心脏的正常生理功能和病理状态下均发挥关键作用。生理条件下,C-MSC提供支持心肌结构和功能完整性的微环境;而在心脏疾病中,它们会因心脏损伤而被激活,参与伤口愈合和纤维化重塑过程6,7。
最近已证实,C-MSC 参与致心律失常性心肌病(ACM)中的脂肪替代过程8特别是,ACM 是一种主要由桥粒基因突变引起的遗传性疾病,导致心肌发生纤维脂肪性替代,主要累及右心室。9这种替代从心外膜延伸至心内膜,形成一种无传导性的基质,可引发进行性心力衰竭并加重室性心律失常,在严重情况下可能导致猝死。Sommariva 等 证明了致心律失常性心肌病(ACM)患者心脏组织切片中存在前脂肪细胞的间充质来源。此外,从ACM患者心内膜心肌活检组织中分离出的C-MSC表达桥粒基因,因此可能受到这些基因突变的影响。特别是在脂肪生成条件下,ACM患者的C-MSC比对照组心脏来源的C-MSC积累更多的脂质。这些证据表明,C-MSC不仅在疾病发病机制中发挥积极作用,而且是研究ACM的一种有效细胞模型。
为了促进在此背景下或其他需要进行心内膜心肌活检的心脏疾病中的未来研究,本文提供了一项详细方案,用于从小块心内膜心肌组织中分离心脏间充质干细胞(C-MSC)、扩增这些细胞、进行免疫表型表征以及成脂分化。
该方法符合《赫尔辛基宣言》的要求,且右心室样本的采集已获得"Centro Cardiologico Monzino IRCCS"伦理委员会的批准(2012年6月7日)。
1. 溶液
2. 心脏间充质基质细胞的分离
3. 细胞扩增
注意:开始前请确保已准备好 TMES 培养基。
4. 通过流式细胞术表征心脏间充质基质细胞
注意:开始之前,请确保已准备好细胞解离试剂、洗涤缓冲液以及特异性抗体。
5. 心脏间充质基质细胞的脂肪成脂分化
注意:开始之前,请确保已准备好 T. ADIPO 培养基和 ORO 工作液。
心脏间质细胞的分离: 从心内膜心肌活检中分离C-MSC的操作流程见图1。
心脏基质细胞的间充质表征:根据国际细胞治疗学会(ISCT)的规定,定义多能间充质基质细胞的最低标准包括其免疫表型特征3。具体而言,为确认其间充质谱系来源,需将细胞与相应的FITC/PE/APC标记抗体孵育,并通过流式细胞术进行分析。用于C-MSC表征的所有抗体均列于材料表中。
如图2所示,从活检组织中获得的C-MSC表达特异性间充质表面抗原CD29、CD44和CD105。CD90阳性细胞的比例存在差异,这与先前报道一致11。这些细胞不表达内皮细胞标记物(CD31、CD34)、单核细胞/巨噬细胞标记物(CD14)、造血细胞标记物(CD45)以及主要组织相容性复合体(HLA-DR)(图2)。
心脏间充质基质细胞的成脂分化:为诱导其成脂分化,需将从致心律失常性心肌病(ACM)患者和健康对照者(HC)获得的心脏间充质基质细胞(C-MSC)在T. ADIPO培养基中培养(见溶液部分)。细胞培养72小时或1周,每周更换培养基两次。
细胞内脂滴的积累通过油红O染色得以证实(图3)。从ACM和HC来源的细胞在分化能力及分化程度上均存在差异。如代表性图像所示,在成脂诱导培养基中培养72小时后,ACM来源的C-MSC比HC来源的C-MSC积累更多的脂滴(图3)。即使在成脂分化条件下培养更长时间(1周),这些差异仍然存在(图3)。

视频 1:电生理解剖标测与心腔内超声心动图的整合。 一名接受心内膜心肌活检的患者右心室心内膜单极电生理解剖图(左前斜位和右前斜位视图,下层面)。心尖区域可见局限性低电压区(红色/绿色)。在病变心肌及室间隔部位采集心内膜心肌活检样本(以圆圈标记)。实时心腔内超声心动图可用于确认活检钳在目标区域的正确位置(上层面)。 请点击此处观看该视频。(右键可下载。)

视频 2:右前斜位透视视频。 将活检钳经由长可调弯鞘管插入并送入心室。在仔细确认活检钳与心肌接触后,打开钳口,然后牢固闭合以采集样本。 请点击此处观看该视频。(右键单击可下载。)

图1:实验流程示意图。 使用活检导管(一种小型钳状切割器械)采集心内膜心肌活检样本。所获活检组织重量约为 5 mg(A)。用心内膜心肌活检样本用无菌剪刀剪成 0.5 - 1 mm3 的组织碎片(B),并加入胶原酶溶液。将样本置于37 °C旋转平台摇床上孵育1.5小时进行消化(C)。消化后的溶液经离心后接种于塑料培养皿中的TMES培养基中(D)。利用细胞对塑料表面的黏附特性,可获得C-MSC,其可表现为单个细胞、克隆集落,或从小块未完全消化的活检组织中长出(E)。随后通过流式细胞术对C-MSC进行表型鉴定(F)。将C-MSC接种至成脂诱导培养基中,通过油红O染色检测脂滴积累情况(G)。比例尺表示50 µm。 请点击此处查看该图的放大版本。

图 2:C-MSC 的代表性细胞荧光分析图谱。 每个直方图显示了细胞数量与指定通道中荧光强度的关系(PE:藻红蛋白;APC:别藻蓝蛋白;FITC:异硫氰酸荧光素)。在每个图中,同型对照(白色)和与特异性细胞表面标志物抗体结合的样本(红色)均被展示。C-MSC 对间充质表面抗原 CD29、CD44、CD105 呈阳性,对 CD90 呈部分阳性,但不表达 CD31、CD34、CD14、CD45 和 HLA-DR。请点击此处查看该图的放大版本。

图3:C-MSC的脂肪向分化。在脂肪诱导培养基中培养72小时和1周后的ACM和HC C-MSC代表性图像,经油红O(ORO)染色(左侧图片;n = 3)。右侧图表显示255-红色通道染色亮度的定量结果:强度以任意单位(A.U.)表示。与对照组相比,ACM C-MSC积累更多的脂滴。采用Student's T检验,*:p< 0.05。比例尺表示50 µm。请点击此处查看该图的放大版本。
MSC 与 C-MSC:MSC 是存在于多种成体组织基质组分中的多能细胞,例如骨髓、脂肪组织、软骨、脑、皮肤、胎儿附属结构以及心脏12。已有不同研究致力于分离和表征这些细胞,以探索其在基础研究和转化研究中的潜在应用12,13。
在健康状态下,间充质干细胞(MSC)处于静息状态,以较低速率进行自我更新14。由于它们会暴露于环境中的病理变化,因而会通过直接转分化、基质沉积或旁分泌效应来促进组织重塑,从而作出应答14。
心脏间充质干细胞(C-MSC)是心脏中数量众多的非心肌细胞群体4它们起源于心外膜,迁移至心肌层,并经历上皮-间质转化过程。15它们通过与心肌细胞的相互作用以及对细胞外基质稳态的调节,在生理和病理状态下均有助于维持心脏结构的机械完整性和电生理稳定性。7,16然而,C-MSC 的广泛功能尚未被完全理解。通过深入研究其在生理和病理条件下的作用,可促进对该细胞功能的全面认识。 体外 分离后的研究。
已从人类心脏的不同区域获得C-MSC,例如心耳2,17和右心室18。
最近,已从人右心室心内膜活检样本中成功分离出C-MSC8,表明所需组织来源可少至3-5 mg。
可能的应用: 本文所述方法允许从非常小的心脏标本中,通过少数几个简单步骤(如消化及基于贴壁性的筛选)获得细胞。
C-MSC 可被视为一种细胞模型,因为其易于扩增和维持 体外,并能分化为中胚层谱系的细胞(内皮细胞、成骨细胞和脂肪细胞)。此外,直接从患者体内获取细胞的可能性具有重要意义 体外 用于个性化/精准医学背景下机制研究的工具。事实上,这些细胞携带供体的遗传背景及可能存在的特异性突变,并受到患者特定特征的影响,如临床状况、年龄、性别、生活方式和用药情况。此外,通过不同标记物对它们进行分选的可能性,可实现对特定C-MSC亚群的研究19.
C-MSC 被认为在多种心血管疾病中发挥重要作用,这些疾病大多以心脏的不良重塑为特征。因此,C-MSC 可作为开发新型治疗策略的潜在靶点,以对抗心脏疾病8,20。
C-MSC 的干细胞样特性及其免疫原性较低的特点,提示其在心脏再生医学的细胞治疗中具有潜在应用价值。事实上,与骨髓或其他来源的 MSC 相似,C-MSC 在自体和异体应用中均可能使用,且无需供体与受体之间的配型21。
此外,C-MSC直接从心脏组织中分离获得,具有经心脏微环境和表观遗传特征预处理的优势。在心脏再生医学领域,这一特性对于获得成功的治疗效果可能尤为重要。
迄今为止,再生医学的临床前研究已发现C-MSC及其旁分泌活性具有重要的治疗潜力18,22,23。重要的是,目前已有以心脏组织为细胞来源的临床试验正在进行,所用细胞包括心脏球来源细胞或C-MSC的亚群13,24,25。然而,与骨髓来源的MSC类似,获得临床级C-MSC可能需要采用不同的制备方案26。
ACM中的C-MSC:本方案主要适用于需要进行心内膜活检的病理学研究。致心律失常性心肌病(ACM)患者会因诊断目的接受活检操作27。其心肌组织逐渐被瘢痕组织替代,这种电生理上无活性的组织由脂肪细胞和纤维化成分构成。为了引导活检取样至病变瘢痕区域(此处诊断阳性率最高),需采用心内膜心肌标测技术10,28,29。本方案所使用的样本取自病变心肌的交界区域。
Sommariva 等人最近定义了C-MSC在ACM发病机制中的关键作用8,证明C-MSC是ACM心脏脂肪生成的积极参与者,因为这些心脏中的前脂肪细胞具有间充质来源。此外,通过本方案从ACM患者活检组织中分离的C-MSC表现出比对照组更强的脂质积累和脂肪生成倾向。因此,这些细胞可用于验证ACM的一些分子机制,证明其作为机制研究细胞模型的适用性9。
局限性与关键步骤:尽管直接从患者获取C-MSC具有诸多优势(参见“"可能的应用"”段落),但本方案仍存在多种局限性。
首先,心脏活检是一种侵入性操作,若非绝对必要,通常会避免实施。事实上,获取心脏组织样本在伦理和技术上均存在难题。进行心脏活检的指征可能包括在心肌病的鉴别诊断中明确诊断、监测心脏移植后的状态,或确认心脏肿瘤的存在30。因此,只有符合共识声明31所建议需进行心内膜心肌活检的患者,方可纳入C-MSC相关研究。此外,心脏活检操作可能引发临床并发症,尤其在心肌病患者的心脏中风险更高。因此,电生理医师在取样时始终持谨慎态度,所得活检样本可能非常微小,从而影响细胞的分离。未来的实验可通过优化胶原酶浓度或消化时间来克服这一问题。
与其他所有原代人类细胞一样,C-MSC在不同个体间的各种表型中均表现出高度变异性。实际上,来自不同个体的细胞不仅在遗传上存在差异,还受到不同环境因素的影响。具体而言,在本实验中,细胞的分离、生长以及成脂分化均观察到较高的变异性。
必须注意本方案中的关键步骤。如果活检样本中含有毛细血管,则必须将其去除,以避免内皮细胞的平行分离,否则可能污染C-MSC培养物,并可通过FACS分析(CD31阳性)加以证实。为了实现有效的脂肪向分化,细胞必须处于活跃的生长期。细胞汇合程度也可能影响脂质的积累。
方法的意义: 与以往间充质基质细胞的分离方法相比,这是首次详细提出直接从人心室活检样本中获取C-MSC的方案。尽管该方法建议用于心肌炎患者样本的处理,但原则上可适用于所有需要进行心内膜心肌活检的患者。
本方案是对先前方法的有效改进,先前方法在获取所需细胞时需要更大的心脏样本32,而这类样本通常难以收集。
此外,样本来源本身也是一项引人注目的创新。虽然心室活检通常取自室间隔33,但本方案考虑了从右心室游离壁获取的样本。源自病变右心室区域的细胞可能更能代表涉及右心室疾病的病理状态。
此外,本方案中使用的某些试剂与其他C-MSC分离和分化方法所用的试剂有所不同32。例如,本文建议使用的胶原酶为I型和II型胶原酶的混合物,其蛋白水解活性比例均衡。此外,消化液由该胶原酶混合物溶解于制备C-MSC培养基所用的相同基础培养基(IMDM)中而成,从而使分离得到的C-MSC能够适应后续的生长条件。
此外,尽管分选步骤可使细胞批次标准化,但仅通过这些细胞的贴壁特性分离得到的完整C-MSC群体,仍是一种简化方法,且不改变C-MSC的免疫表型特征。本论文提出的T. ADIPO组分能够诱导成脂分化,同时避免胰岛素等其他成分所引起的代谢失调。
此外,本文提出的基于油红O比色强度评估的脂质积累定量方法,相较于仅依据油红O染色阳性细胞百分比的方法,能够提供关于脂质积累量的更多信息。通常可通过异丙醇提取细胞中掺入的油红O并测定其吸光度来量化脂质积累。然而,该方法需要更多的操作步骤,且由于异丙醇易挥发,结果易受实验变异影响。
作者无任何利益冲突需要披露。
本工作由意大利卫生部向 Centro Cardiologico Monzino-IRCCS 提供的常规研究经费资助。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| IMDM | Gibco by Life Technologies | 12440053 | |
| 胎牛血清(FBS) | Sigma-Aldrich | F2442 | |
| 青霉素-链霉素 | Life Technologies Italia | 15140122 | |
| 胶原酶 NB4 | Serva | 17454.02 | |
| 碱性成纤维细胞生长因子 | Peprotech | 100-18B | |
| L-谷氨酰胺 | Sigma-Aldrich | G7513 | |
| PBS | Lonza | 17-516F | |
| Tryple select 1X(细胞解离试剂) | Gibco | 12563029 | |
| EDTA | Sigma-Aldrich | EDS | |
| 胰蛋白酶-EDTA 溶液 | Sigma-Aldrich | T6689 | |
| 牛血清白蛋白 | Sigma-Aldrich | A2058 | |
| 3-异丁基-1-甲基黄嘌呤 | Sigma-Aldrich | I5879 | |
| 氢化可的松 | Sigma-Aldrich | H4001 | |
| 吲哚美辛 | Sigma-Aldrich | I7378 | |
| 油红 O | Sigma-Aldrich | O0625 | |
| 异丙醇 | Sigma-Aldrich | I9516 | |
| 4% 多聚甲醛(PFA)PBS 溶液 | D.b.a. Italia S.r.l. | sc-281692 | |
| 二甲基亚砜(DMSO) | Sigma-Aldrich | 276855 | |
| 抗体 CD14-FITC(MφP9) | Becton Dickinson | 345784 | |
| 抗体 整合素 β1(CD29)-PE(克隆 MAR4) | Becton Dickinson | 561795 | |
| 抗体 PECAM-1(CD31)-APC (克隆 9G11) | R&D Systems | FAB3567A | |
| 抗体 造血祖细胞抗原(CD34)-APC(克隆 581) | Thermo Fisher Scientific | CD34-581-05 | |
| 抗体 H-CAM(CD44)-PE (克隆 G44-26) | Becton Dickinson | 561858 | |
| 抗体 L-CA(CD45)-APC(克隆 HI30) | Thermo Fisher Scientific | MHCD4505-4 | |
| 抗体 THY1(CD90)-FITC(克隆 5E10) | Becton Dickinson | 561969 | |
| 抗体 内皮糖蛋白(CD105)-APC(克隆 266) | Becton Dickinson | 562408 | |
| 抗体 HLA-DR-FITC(克隆 L243) | Becton Dickinson | 347400 | |
| Gima Quick Plus 消毒器 | Gima | 35642 | |
| 台式离心机 Sigma 3-16K | Sigma Centrifuges | 10330 | |
| Mr. Frosty 冷冻容器 | Thermo Fisher Scientific | 5100-0001 | |
| AxioVert 200M 显微镜 | Zeiss | B 40-080 e 03/01 | |
| FACS Gallios | Beckman Coulter | 773231AF | |
| ImageJ(图像处理程序) | NIH | ||
| Stericup 滤器单元 | Merck S.P.A. | SCGPU05RE | |
| 50 mL 锥形管 | Eppendorf | 30122178 | |
| 15 mL 锥形管 | Eppendorf | 30122151 | |
| 2 mL 安全锁扣管 | Eppendorf | 30120094 | |
| 100 mm 细胞培养处理培养皿 | Corning | 430167 | |
| 60 mm 细胞培养处理培养皿 | Corning | 430166 | |
| 6 孔细胞培养多孔板 | Corning | 3516 | |
| 5 mL 聚苯乙烯圆底管 | BD Falcon | 352058 | |
| BRAND 计数板 BLAUBRAND Bürker-Tük | Sigma-Aldrich | BR719520 |
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