自骨密質中分離、培養大鼠骨髓間充質干細胞

邊素艷 蓋魯粵 葉 平 郭子寬 王 華 王立生

·論著·

自骨密質中分離、培養大鼠骨髓間充質干細胞

邊素艷 蓋魯粵 葉 平 郭子寬 王 華 王立生

目的介紹一種自Wistar大鼠骨密質中分離培養間充質干細胞（Mesenchymal stem cells，MSC）的方法。方法應用骨髓密度梯度離心、酶消化骨密質兩種方法分離、培養Wistar大鼠MSC，比較其形態學、體外增殖能力差異；并用堿性磷酸酶染色和油紅O染色分別鑒定MSC的成骨和成脂分化潛能。結果采用密度梯度離心骨髓或用酶消化后的骨密質，經貼壁培養后均能夠成功分離和培養大鼠的MSC，兩者在形態學和體外增殖能力方面無明顯差異；且兩種方法培養的MSC經特異性誘導劑誘導后，均可向脂肪及成骨細胞分化，油紅O染色及堿性磷酸酶染色均陽性。結論自骨髓和骨密質中均能夠分離培養出較為純化的大鼠MSC，兩種方法培養的MSC體外生物學性能無明顯差異。

大鼠骨髓間充質干細胞骨密質細胞培養

骨髓間充質干細胞（Mesenchymal stem cells，MSC）是一種成體干細胞，能在體內外誘導分化成骨、軟骨、肌肉、神經等組織，且易于獲得，體外分離培養方法簡便，無免疫排斥及倫理問題，目前已成為細胞治療及組織工程的理想種子細胞[1]。但MSC在骨髓中含量較少，體外擴增能力有限[1]。因此，建立有效的MSC體外分離、擴增、純化及鑒定體系是該領域研究的重點和基礎。

有研究發現，自小鼠骨密質中可成功分離培養MSC，解決了自骨髓中獲取MSC的困難。大鼠是實驗研究中常用的模型動物，鼠齡越小，體外培養的MSC增殖能力越強，但幼鼠骨髓量少，如果能從大鼠骨密質中分離培養出MSC，且驗證它們的生物學性能與骨髓中培養的不存在明顯差異，那么將為體外培養、擴增MSC提供另外一條可能的途徑，為進一步研究奠定基礎，本研究擬通過體外研究對這些問題進行驗證。

1 材料與方法

1.1 材料

實驗動物為2周齡雌性Wistar大鼠（軍事醫學科學院實驗動物中心提供）。試劑α-MEM培養基（Hyclone公司，美國），特級篩選胎牛血清（Hyclone公司，美國），胎牛血清（北京元亨生物公司），胰酶（Amresco公司，美國），Percoll(Pharmacia公司，美國，比重為1.073 g/L)，Ⅱ型膠原酶消化液（Sigma公司，美國，用α-MEM培養基配制，終濃度0.2%），地塞米松、異丁基甲基黃嘌呤和消炎痛（Sigma公司，美國），β-甘油磷酸鈉鹽和維生素C鈉鹽（Fluka公司），磷酸對硝基苯酚二鈉鹽（Amresco公司，美國），BCIP/NBT堿磷酶染色試劑盒（北京中杉金橋生物公司），油紅O染料（北京化工廠）。

1.2 實驗設備

CO2氣體恒溫培養箱（Thermo electron公司，美國），超凈工作臺（北京半導體設備一廠），倒置相差顯微鏡（Olympus公司，日本)，R450型酶標儀（Bio-Rad公司，美國）。

1.3 方法

1.3.1 MSC的分離和培養

骨髓分離培養法：取2周齡的雌性Wistar大鼠2只，斷頸處死后以75%乙醇浸泡5 min，移入超凈工作臺，無菌條件下取出雙側股骨和脛骨，剪去骨骺端，用含10%血清的α-MEM培養基沖出骨髓，離心并棄脂肪層，所獲細胞重新用5 mL上述培養基制成細胞懸液，并小心加入含5 mL Percoll分離液（1.073 g/L）的離心管內，保持界面清晰，1 500 r/min離心20 min，小心吸取約1 mL界面細胞層至另一離心管中，用上述培養基重新制成細胞懸液，1 200 r/min離心8 min，反復2次，以洗凈細胞懸液中的Percoll，用含10%篩選胎牛血清或普通胎牛血清的α-MEM培養基（含有100 U/mL青霉素，100 U/mL鏈霉素）重懸并計數細胞，以每孔2×106個細胞接種在6孔板中，37℃、飽和濕度、5%CO2的孵箱內培養。48 h后全量換液，棄未貼壁細胞，以后每3 d換液1次，并用倒置顯微鏡觀察拍照。

骨片培養法：取2周齡的雌性Wistar大鼠2只，用上述方法分離雙側股骨和脛骨，去除骨骺端，用眼科剪剪碎成1 mm3骨片，用0.2%（1 mg/mL）Ⅱ型膠原酶37℃、200 r/min振搖消化1 h，棄消化上清，用α-MEM沖洗骨片3遍，用含10%篩選胎牛血清的α-MEM培養基培養，48 h后換液，倒置顯微鏡每天觀察細胞生長情況。

兩種方法均待細胞長至70%～80%融合時，以0.05%的胰蛋白酶消化細胞，并按1∶3的比例傳代，對MSC進行增殖與純化。

1.3.2 細胞生長曲線

將兩種方法獲得的第3代MSC按3 000個/孔接種于96孔板中，每組每個時間點接種5個復孔，從接種后第1～5天以MTT法檢測細胞增殖活性。具體步驟：每孔加入MTT（5 mg/mL）10 μL，37℃培養4 h，吸棄上清后每孔加入DMSO 100 μL，振蕩10 min溶解結晶，酶聯儀570 nm波長測定光吸收值（OD），并繪制生長曲線。

1.3.3 脂肪和成骨分化誘導[2]及檢測

將處于對數生長期的MSC接種于24孔細胞培養板（每孔5 000個）。貼壁培養24 h后，非誘導組繼續用完全培養基培養，誘導組應用脂肪誘導培養液（地塞米松1 μmol/L+異丁基甲基黃嘌呤0.5 mmol/L +消炎痛100 μmol/L）或成骨誘導培養液（地塞米松100 nmol/L+β-甘油磷酸鈉鹽10 mmol/L+維生素C鈉鹽0.05 mmol/L）進行脂肪或成骨分化誘導，每3天換液，第8天通過油紅O染色檢測脂質沉積，第14天應用BCIP/NBT染色試劑盒進行堿性磷酸酶（ALP）染色。

1.4 統計學方法

實驗結果用均數±標準差（x±s）表示，以STATA 7.0統計分析軟件，采用成組t檢驗進行統計學分析，P＜0.05為有顯著性差異。

2 結果

2.1 MSC的形態學觀察

分離骨髓培養的原代MSC，鏡下觀察有大量紅細胞和有核細胞懸浮于培養液中（圖1A）；48 h后換液棄去未貼壁的造血細胞，貼壁細胞即為MSC，形態多樣，呈梭形、多角形和三角形等；72 h后可見漩渦狀或輻射狀排列的梭形和三角形細胞集落式生長；第7～10天，細胞增殖迅速，集落中細胞數量增多，呈融合生長，此時可行傳代培養（圖1B）。

應用骨片培養的MSC，48 h后可見較多梭形或三角形貼壁細胞自骨片周圍爬出（圖1C）；2～5 d后以骨片為中心可見細胞呈放射狀集落式生長（圖1D）；當細胞成融合生長時可進行傳代培養。

骨片培養的貼壁細胞數目明顯較骨髓分離培養多，易于形成集落。兩種方法傳代后的MSC形態無明顯差異，均呈梭形、三角形、多邊形，有長突起，核橢圓形，生長速度無明顯差異。10代以前，細胞生長活躍，增殖迅速，均2～4 d傳代1次。

圖1 大鼠骨髓MSC的形態學觀察

2.2 生長曲線

兩種方法擴增培養的第3代MSC生長曲線相似（圖2）。傳代培養1～2 d時，吸光度變化不大，細胞處于潛伏期；第2～3天時，細胞呈對數生長并達高峰；之后，細胞生長均進入平臺期。

圖2 兩種方法獲得的MSC生長曲線相似

2.3 MSC體外脂肪和成骨分化潛能分析

成脂誘導第8天，細胞形態改變，胞內布滿圓形透亮脂質空泡，油紅O染色可見脂滴均呈紅色深染，說明有大量脂肪細胞生成（圖3）。成骨誘導第14天，形成大量扁平狀成骨細胞，ALP染色陽性。兩種方法培養的MSC，在成脂和成骨分化能力上無明顯差異。

圖3 大鼠MSC體外脂肪和成骨分化（200×）

3 討論

MSC數量較為稀少，成人骨髓中的有核細胞含量平均約1/100 000[1]。因此，探索適宜MSC分離、擴增的方法，對進一步研究MSC生物學特性和誘導分化極其重要。

目前，貼壁培養法和密度梯度離心法是較為常用的兩種MSC的分離培養方法[3-4]。貼壁法簡單，但所獲細胞種類復雜，包含有紅細胞、巨噬細胞和破骨細胞等多種細胞，不能滿足細胞工程對種子細胞的純度要求。應用密度為1.073 g/mL的Percoll分離液，通過密度梯度離心法，可成功分離出高純度的骨髓MSC，雜質細胞少，細胞活力相對較強，并能穩定傳代且保持其多向分化潛能的特性。密度梯度離心法與貼壁培養法相結合的方法，是目前普遍采用的實驗研究或臨床應用的培養方法，是根據密度差別，經梯度離心后，有效去除絕大部分紅細胞、粒細胞、血小板和脂肪細胞，獲得較高純度的單個核細胞群，然后根據MSC與造血細胞、少量單核-巨噬細胞及成纖維細胞貼壁性能差別，通過換液、對胰蛋白酶消化反應的不同以及傳代等方法，可純化MSC。該方法適用于大動物實驗研究或臨床應用。而對于小動物，如小鼠或大鼠，由于其骨髓含量少，經密度梯度離心后獲得的單個核細胞數目更少，體外分離培養較為困難，故尋求一種簡便的方法是實驗研究的需要，也可為尋求干細胞的獲得新的途徑。

郭子寬等[5]以骨片培養法培養小鼠骨髓間充質干細胞，發現骨密質中同樣存在廣泛的MSC，分離培養后的細胞經鑒定為MSC。本研究將其用于分離培養大鼠MSC，發現此法操作簡單，骨髓細胞貼壁率高，細胞形態單一，較易形成集落，傳代培養后在細胞形態、生長方式以及體外多向分化潛能上與骨髓法培養法無異，但此法僅適用于較小鼠齡（0～2周）的小鼠或大鼠。需要注意的是，在分離股骨或脛骨時，必須將骨骼肌分離徹底，否則易受骨骼肌細胞污染。

許多細胞的增殖能力在發育的不同階段明顯不同。國內外研究均發現，MSC的數量隨年齡增加而逐漸減少，增殖活性隨年齡增加而逐漸減低[6]。我們的研究發現，鼠齡越小，分離培養的MSC集落形成率、增殖能力越強。2周齡以上的大鼠均易于獲得骨髓，但鼠齡越小分離的MSC體外增殖能力越強。而骨片培養法則適用于乳鼠或4周齡以下幼鼠，但乳鼠股骨分離難度較大，4周齡以上者骨質較硬，不易操作，以2周齡大鼠為宜，且獲得的MSC體外擴增能力較強。傳代培養繪制生長曲線結果顯示，自2周齡幼鼠骨髓或骨片分離培養的第3代MSC，體外增殖能力無明顯差異。

因MSC缺乏特異的細胞表面標志，尚無直接方法可鑒定得到MSC。目前MSC鑒定的方法大多是通過排除法，排除CD34（造血干細胞的特異性表面標志）、CD11a（淋巴細胞表面標志）和CD45（白細胞表面標志）等表達，然后逆推得知其是否為MSC[7]。因成骨、成脂分化潛能是MSC的基本生物學特性之一，故用成脂和成骨分化潛能可間接證實MSC的性質，這種方法經濟、簡單實用，適合作為MSC的鑒定方法。本研究通過體外誘導MSC向脂肪細胞或成骨細胞分化來鑒定MSC的多向分化潛能，間接證實我們分離培養的細胞具備MSC的特性，且同時證實兩種不同方法分離培養的細胞在分化潛能上無差異。

綜上所述，本實驗分別采用骨髓Percoll密度梯度離心和酶消化骨片加貼壁篩選法，均成功分離培養并擴增了大鼠MSC，自骨片（骨密質）中可獲得高純度、具備多向分化潛能的MSC，體外生物學特性與骨髓分離者無顯著差異。

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Isolation and Culture-Expansion of Rat Compact Bone-Derived Mesenchymal Stem Cells

BIAN Suyan1,GAI Luyue1,YE Ping1,GUO Zikuan2,WANG Hua2,WANG Lisheng2.1 General Hospital of PLA,Beijing 100853,China;2 Department of Experimental hematology,Institute of Radiation Medicine,Academy of Military Medical Sciences,Beijing 100850,China.Corresponding author:WANG Lisheng.

ObjectiveTo introduce a detailed protocol for isolating and expanding mesenchymal stem cells(MSC)from Wistar rat compact bones.MethodsWistar′s MSC were isolated and culture-expanded from bone marrow by Percoll density gradient centrifugation or from compact bone debris by digestion with collagenase type II.The morphological and proliferation features between the two populations of MSC were compared.The in vitro osteogenesis and adipogenesis were identified by intracellular alkaline phosphatase activity and droplets of lipids respectively.ResultsMSC were successfully isolated and culture-expanded by two different methods.Both of these two populations took fibroblast-like morphology and exhibited similar proliferative activity.They could be induced into adipocytes and osteoblasts in vitro under the defined conditions,which were revealed by positive Oil-Red O and alkaline phosphatase staining.ConclusionBoth bone marrow and compact bones could be served as the sources for isolating rat MSC,and the biological properties of the harvested cells are comparable.

Rat;Mesenchymal stem cells;Compact bone-derived;Cell culture

Q813.1+1

A

1673－0364（2010）01－0001－04

2009年11月6日；

2010年1月28日)

10.3969/j.issn.1673-0364.2010.01.001

國家自然科學基金項目（30871018）；國家高技術發展規劃項目（863項目）（2007AA021007，2007AA02Z454）。

100853北京市中國人民解放軍總醫院（邊素艷，蓋魯粵，葉平）；100850北京市軍事醫學科學院放射醫學研究所實驗血液學研究室（郭子寬，王華，王立生）。

王立生。