该方法可消除细胞悬浮液注射过程中引起的任何重大侵入性影响。
该方法可消除细胞悬浮液注射过程中引起的任何重大侵入性影响。
直接将细胞注射到组织中是细胞给药和/或替代治疗中的必要步骤。细胞注射需要足量的悬浮液以使细胞进入组织,但悬浮液体积可能对组织造成影响,进而导致注射过程中产生显著的侵入性损伤。本文报道了一种名为慢速注射的新型细胞注射方法,旨在避免此类损伤。然而,根据牛顿剪切力定律,要将细胞从针尖推出,需要足够高的注射速度。为解决上述矛盾,本研究采用非牛顿流体(如明胶溶液)作为细胞悬浮液。明胶溶液具有温度敏感性,在约20 °C时其形态可由凝胶态(gel)转变为溶胶态(sol)。因此,在本实验方案中,注射器保持低温以维持细胞悬浮液的凝胶状态;而一旦溶液被注入体内,体温会使其转化为溶胶态。间质组织液流动可吸收多余的溶液。本研究中,慢速注射技术使心肌细胞球成功进入宿主心肌并实现移植,且未引发周围纤维化。该研究采用慢速注射法,将纯化并呈球状结构的新生大鼠心肌细胞注入成年大鼠心脏心肌梗死的远端区域。移植后2个月,移植组心脏的收缩功能显著改善。此外,对慢速注射心脏的组织学分析显示,宿主与移植物心肌细胞之间形成了无缝连接。 通过 含有缝隙连接的闰盘。该方法可能有助于下一代细胞治疗,特别是在心脏再生医学领域。
细胞移植与替代疗法是针对严重受损器官的颇具前景的新型治疗策略。在这些新型治疗策略中,心脏再生医学已受到广泛关注。然而,损伤引发的炎症反应会在多个器官中介导瘢痕形成1,2,3,4. 人类心脏大约由1010 心肌细胞;因此,理论上5,6,必须使用超过109 心肌细胞。给予大量心肌细胞 通过 传统注射方法可能导致显著的组织损伤7该方法提供了一种新型的细胞注射技术,具有最小的组织侵入性。
将细胞注入器官实质需要进行注射操作。然而,存在一个矛盾之处:注射操作本身可能导致组织损伤。组织损伤可引起局部炎症反应,并在器官和组织中形成不可逆的瘢痕,同时损害其再生能力8,9,10。哺乳动物心脏极易形成瘢痕而非再生,这是因为心脏需立即修复损伤,以维持其持续泵血功能所产生的高血压状态11。消融治疗正是利用了这种强烈的瘢痕形成倾向,通过心律失常机制阻断可能形成瘢痕的电传导通路12。在先前的研究中观察到,瘢痕组织将注射的心肌细胞与宿主心肌组织隔离。因此,这成为心脏再生医学领域亟待解决的下一个关键问题,以提升治疗效果。
组织间质液流动在向细胞输送氧气和营养物质以及清除细胞代谢废物方面起着至关重要的作用。不同组织/器官中生理状态下的间质液流速各不相同(范围为 0.01–10 µm/s)13。据作者所知,目前尚无关于各组织/器官在不引发病理性水肿的情况下可耐受额外液体量的数据;然而,本实验尝试采用缓慢注射速度以尽可能减少组织损伤,实验结果可用于评估该设想的可行性。
动物实验根据关西医科大学动物实验伦理指南进行,并经伦理委员会批准(批准号:23-104)。所有动物均在特定病原体阴性环境中,按照固定的明暗循环条件饲养。所有灭菌手术器械(如剪刀、镊子和牵开器)均经过高压灭菌并彻底干燥。
1. 新生大鼠心肌细胞球的制备
2. 缓慢注射法的准备工作
3. 通过钝缘支冠状动脉闭塞建立大鼠心肌梗死模型
4. 采用慢速注射法的超声引导经皮细胞移植
5. 心脏功能评估
6. 免疫组织化学
缓慢注射对细胞存活和胶原沉积的影响
将用PKH26标记的新生大鼠心肌细胞球通过常规注射或缓慢注射方法注入正常裸鼠心肌中。结果显示,缓慢注射方法显著增加了移植细胞的体积(图3A),并显著减少了局部I型胶原的沉积(图3B)。
缓慢注射对大鼠梗死模型治疗效果的影响
采用超声心动图引导下的缓慢注射法,将新生大鼠心肌细胞球或PBS(−)注入模型大鼠的梗死心脏。仅细胞注射组在术后2个月表现出心脏收缩功能的显著改善图4A免疫组织化学分析显示,移植细胞与宿主心肌细胞之间存在无缝连接 通过 含有间隙连接的闰盘(图4B).

图1:整个注射系统的示意图。 (A)主要注射装置。 (B)注射器冷却系统。 请点击此处查看此图的放大版本。

图2:超声心动图引导下的经皮缓慢注射。 (A)动物体位、超声探头和注射装置的设置。(B)注射针筒与心脏的超声心动图图像。请注意,左图和右图内容相同,但右图添加了一条黄线以指示针头位置。 请点击此处查看该图的放大版本。

图3:慢速注射法对移植细胞体积及胶原沉积的影响。 (A)移植细胞体积(N = 3)由连续切片计算得出。误差线表示标准差。*P < 0.01,非配对t检验。 (B)I型胶原免疫组织化学染色。比例尺为200 µm。 请点击此处查看该图的放大版本。

图 4:通过缓慢注射法移植心肌细胞球后心脏功能及组织学整合的改善。(A)代表性超声心动图M型图像。图表显示了心肌细胞球移植组(实心红线;N = 4)和对照组(用于缓慢注射法的细胞悬液溶液,虚线蓝线;N = 3)中缩短分数的变化趋势。缩写:MI = 心肌梗死;Cx43 = 连接蛋白43;DAPI = 4',6-二脒基-2-苯基吲哚;PKH26 = 红色荧光细胞膜标记物。误差线表示标准差。*P < 0.01(配对t检验)。(B)移植的心肌细胞球与宿主心肌细胞之间关系的免疫组织化学分析。左列为使用2倍物镜进行的传统激光显微镜观察结果。方框中标记为*和#的两个区域的放大图像(使用20倍物镜)如下所示。比例尺:顶部图像 = 300 µm;* 和 # = 30 µm。同时展示了使用20倍物镜的共聚焦激光显微镜图像以作比较,共显示三个位置。在合并图像中,箭头指示位于移植物与宿主心肌细胞之间直接连接处的缝隙连接(Cx43)。比例尺为30 µm。请点击此处查看该图的放大版本。
补充视频 1:超声引导下缓慢注射方法。 前面观的 B 型超声心动图显示注射针尖已进入心肌。 请点击此处下载该文件。
成功实施慢速注射方法的关键之一是使用高性能的注射泵和耐高压的传压管路,构建高效的注射系统。由于需要将凝胶从细针尖端推出,因此必须采用高压系统。第二个关键点是心脏的稳定。跳动的心脏会使插入心肌的注射针造成组织损伤。本研究采用超声引导注射,以避免动物经历第二次开胸损伤,并在肺部充气状态下实现对稳定心脏的细胞注射。此外,在应用于较大动物或人类时,应将附着于心脏的某些注射装置纳入应用策略的设计中。对于小型动物的开胸心脏注射,建议使用长而柔韧的针头,以适应其较高的心率。
本研究中,与常规注射方法相比,缓慢注射法显著增加了存活心肌细胞的体积。常规注射会导致细胞损伤 通过 剪切应力15相比之下,缓慢注射法理论上不会引起此类应激,因为它除了采用缓慢注射外,还使用了非牛顿流体溶液。
就局部纤维化而言,常规注射法存活的心肌细胞周围间质区域显示出强而广泛的Ⅰ型胶原沉积。相比之下,采用慢速注射法移植的心肌细胞周围Ⅰ型胶原信号则明显更弱且范围更局限。这表明慢速注射法造成的损伤显著减轻。将新生心肌细胞以慢速注射方式注入成年心肌组织,可显著改善梗死心脏的收缩功能。组织学分析表明,采用慢速注射法移植的心肌细胞与宿主心肌细胞之间形成了直接连接和功能性耦合。这一现象解释了宿主心肌功能恢复的机制。据我们所知,这是首次报道新生心肌细胞与成年宿主心肌细胞之间形成大规模无缝连接的移植研究。移植细胞与宿主心肌组织之间的功能性连接 通过 电耦合与机械耦合可能促进移植的心肌细胞成熟,使其发挥功能性心肌细胞的作用,从而贡献于宿主心脏功能。宿主心肌细胞与移植物心肌细胞之间长期的物理力相互作用对于细胞完全成熟至关重要。因此,注射后可能需要约两个月时间才能实现梗死心脏的功能恢复。在治疗应用中,患者心脏功能随时间逐步恢复可能是预期现象,这也可作为移植细胞成功整合并建立功能连接的重要标志。 从头合成 宿主心肌细胞与移植心肌细胞之间的功能耦合与整合
缓慢注射法可在开胸手术期间实施。此外,该方法也可应用于小鼠。对于未来在人类治疗中的应用,我们仍需解决若干问题。应根据人体各靶器官间质液流动的缓冲能力,优化注射速度。应采用无异种成分的材料,如人源明胶或可生物降解的合成材料。应开发符合临床GMP标准的缓慢注射装置,例如紧凑型器官特异性一次性工具,或可重复使用的适用于多种器官的装置。
作者无任何利益冲突需要披露。
本研究由日本学术振兴会(JSPS)科研费(课题编号:23390072 和 19K07335)以及日本医疗研究开发机构(AMED)(课题编号:A-149)资助。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 18号针头 && 结核菌素,1 mL | Terumo | NN1838R,SS-01T | |
| 29号针头,长度50 mm | Ito Corporation,东京,日本 | 14903 型-A | |
| 一根铜管 | 通用供应商 | 外径,1 mm;内径,0.3 mm;厚度,0.35 mm | |
| 吸附缓冲液 | 所有成分均购自日本宫崎市富士胶片和光纯药株式会社 | 手工配制,成分:116 mM NaCl,20 mM HEPES,12.5 mM NaH2PO4,5.6 mM 葡萄糖,5.4 mM KCl,0.8 mM MgSO4,pH 7.35 | |
| α-MEM | 日本宫崎市富士胶片和光纯药株式会社 | 051-07615 | |
| 抗I型胶原兔多克隆抗体(H+L) | Proteintech | 14695-1-AP | 使用1:100稀释 |
| 抗连接蛋白-43兔多克隆抗体(H+L) | Sigma Aldrich | C6219 | 使用1:100稀释 |
| 抗兔IgG(H+L)多克隆抗体-AlexaFluor 488 | 赛默飞世尔科技 | A21206 | 使用1:300的稀释比例 |
| 封闭液(Blocking One) | Nacalai Tesque,京都,日本 | 03953-95 | |
| 胶原酶 | 日本宫崎市富士胶片和光纯药株式会社 | 034-22363 | |
| 共聚焦激光显微镜 | 卡尔·蔡司公司,德国奥伯科亨 | LSM510 META | |
| DNase I | Sigma-Aldrich | DN25 | |
| FACS Aria III | Becton Dickinson,美国新泽西州富兰克林湖 | ||
| 胎牛血清 | 美国佛罗里达州 BioWest 公司 | S1820-500 | |
| 精细运动装置(显微操作器) | 日本东京Narishige有限公司 | M-44 | |
| 荧光显微镜 | 尼康仪器公司,日本东京 | Eclipse Ti2 | |
| 牛皮明胶 | Sigma-Aldrich | G9382 | 用PBS(-)溶解至10%,并进行高压灭菌 |
| 新生Sprague-Dawley(SD)大鼠 | 日本静冈日本SLC公司 | 0–出生后2天 | |
| 非黏附性96孔板(球状体培养板) | 住友化学,东京,日本 | MS-0096S | |
| 最佳切割温度(OCT)包埋剂 | Sakura Finetek USA, Inc.,加利福尼亚州,美国 | Tissue-Tek OCT 包埋剂 | |
| 蠕动泵(用于冷却系统) | As One 公司,日本大阪 | SMP-23AS | |
| PKH26 | Sigma-Aldrich | PKH26GL | |
| 磁力搅拌子,微型,聚四氟乙烯涂层,长度 × 直径(毫米):5 × 2 | Chemglass生命科学有限责任公司,新泽西州,美国 | CG-2003-120 | |
| 注射器 | 日本东京市伊藤株式会社 | MS-N25 | |
| 带遥控器的注射泵 | As One 公司,日本大阪 | MR-1, CT-10 | |
| 四甲基罗丹明甲酯 | 赛默飞世尔科技,美国马萨诸塞州沃尔瑟姆 | T668 | |
| 胰蛋白酶 | DIFCO,Becton Dickinson,Franklin Lakes,NJ,美国 | 215240 | |
| Tween-20 | 日本宫崎市富士胶片和光纯药株式会社 | 167-11515 | |
| 兽医软膏 | 藤田制药株式会社 | Hibikusu 软膏 #WAK-95832 | |
| Vevo 2100 成像系统 | Fujifilm VisualSonics, Inc.,加拿大安大略省多伦多市 | Vevo 2100 | |
| Vevo 2100 成像系统软件版本 1.0.0 | Fujifilm VisualSonics, Inc.,加拿大多伦多 | Vevo 2100 | |
| 弧度较弱的眼科缝合针,带眼科缝线 | 日本东京市,NATSUME 制作所有限公司 | C7-70 |
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