加壓運動對羊骨髓間充質干細胞增殖、分化的影響

楊玉輝，孫紹騫，佐藤義昭，劉吉平，張　軍，王宗強*

(1.吉林大學中日聯誼醫院,吉林 長春130033；2.日本加壓運動學會，日本加壓醫療學會；3.東方朝日運動發展(北京)有限公司)

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加壓運動對羊骨髓間充質干細胞增殖、分化的影響

楊玉輝1△，孫紹騫1，佐藤義昭2△，劉吉平3，張軍3，王宗強1*

(1.吉林大學中日聯誼醫院,吉林 長春130033；2.日本加壓運動學會，日本加壓醫療學會；3.東方朝日運動發展(北京)有限公司)

目的探索加壓運動對羊骨髓間充質干細胞增值、分化的影響。方法將60只波爾山羊隨機分成實驗組和對照組，實驗組每周進行2次加壓運動，對照組非加壓下運動，6個月后獲取羊骨髓，然后采用percoll密度梯度離心法分離并吸取上中層界面間以單個核細胞為主的白色云霧層進行培養,觀察細胞形態和增殖速率；兩組細胞均用5-氮雜胞苷誘導其定向分化為心肌樣細胞,對誘導后的細胞進行免疫熒光檢測細胞上心肌特異性抗原a-actin表達情況。結果從骨髓中分離出的白色云霧層中的細胞能貼壁、能傳代且生長狀態良好。此外，經過5-氮雜胞苷誘導后細胞均表達心肌細胞特異性抗原。實驗組骨髓間充質干細胞在培養過程中細胞多呈小而圓的形態，且增殖速率比對照組骨髓間充質干細胞快，而對照組細胞多呈多角形或梭形且增殖速率相對較慢。結論成功的分離并培養了骨髓間充質干細胞,并在體外成功誘導了骨髓間充質干細胞向心肌樣細胞的分化。長期處于加壓運動條件下的骨髓間充質干細胞比非加壓運動條件下更傾向于增殖，而分化能力相對弱一些。

加壓運動；骨髓間充質干細胞；增殖；分化

(ChinJLabDiagn,2016,20:1240)

骨髓間充質干細胞 (BMSCs)是中胚層來源的具有高度增殖、自我更新的能力及多向分化潛能的多能干細胞。進一步研究證明骨髓間充質干細胞體外還可以向心肌、神經元、神經膠質細胞分化[1]，體內移植后可以遷移至損傷部位(多數為缺血、缺氧的環境)修復相應的組織。細胞移植治療為不可逆性心臟疾病提供了全新的治療策略[2]，骨髓間充質干細胞目前被認為是一類最理想的進行細胞移植治療的種子細胞[3]，常被用作基因治療的載體細胞[4,5]。異體骨髓間充質干細胞移植會產生免疫排斥反應。自體血干細胞數量有限，如何促進自體骨髓間充質干細胞的增殖并釋放入血就變得至關重要，尤其是大型哺乳動物，近幾年關于鼠、兔等小型動物骨髓間充質干細胞的研究較多[6,7]，對大型動物羊的骨髓間充質干細胞的研究報道還較少[8]，因此對大型動物羊骨髓間充質干細胞體外如何更好誘導其定向分化的研究具有重要意義。

1　材料與方法

1.1實驗材料

實驗動物：健康波爾山羊；5-氮雜胞苷 (sigma，美國)，一抗:鼠源抗α骨骼肌肌動蛋白抗體(anti alpha skeletal muscle actin antibody) (abcam，英國)，二抗:驢抗小鼠免疫球蛋白g (Dylight 488 affinipure donkey anti-mouse IgG(H+L))(EarthOx,llc，美國)，0.25%胰酶(GIBCO，美國),IMDM (GIBCO，美國),胎牛血清(Hyclon，美國)

1.2方法

1.2.1加壓運動選取24-30月齡健康波爾山羊60只，體重在30-35 kg，隨機分成實驗組和對照組，每組30只。采用日本佐藤義昭先生發明的KAATSU加壓運動設備將實驗組山羊左側后肢根部綁縛加壓帶，壓力范圍60-100 mmHg，壓力值上限以不引起山羊跛行為準。兩組山羊每周進行兩次行走訓練，每次持續15 min，其余時間統一圈養，飲食無差別。

1.2.2取羊骨髓，分離培養骨髓間充質干細胞 6個月后無菌條件下取羊左后肢股骨及脛骨，剖開骨干，用IMDM培養液沖出骨髓。分離出的骨髓用1.082 g/ml比重的 Percoll 細胞分離液，500×g/min 速度下密度梯度離心 25 min，取中間單核細胞層，用0.01M PBS充分洗滌，加入培養基制成單細胞懸液；計數，按 1.0×106/ml 濃度接種于完全培養基(含體積分數為10%FBS的IMDM和青、鏈霉素各 100 U/ml)中。置于37℃細胞培養箱中培養，24 h后去除非貼壁細胞，每3天換液 1 次。

1.3羊骨髓間充質干細胞傳代培養

待細胞達80%-90%融合后，加入PBS洗一遍后,用濃度為0.25% 胰蛋白酶在37℃條件下消化細胞，待細胞形態開始皺縮，用含10%胎牛血清的IMDM培養基終止消化,移入離心管，1 200 r/min離心5 min后，傳至兩皿中繼續培養,約每3天換液一次，直至貼壁細胞接近80%-90%融合，再重復上述操作，反復傳代擴增。

1．4生長曲線

骨髓間充質干細胞用含10% 胎牛血清的IMDM培養基培養，每隔24 h 在倒置顯微鏡下觀察并進行計數，每個樣品測3次,取平均值，分別計算實驗組和對照組所有樣品平均值的均數。連續觀察12 d以存活細胞數(萬/ml) 對培養時間(d) 作圖，即得生長曲線。

1.5誘導羊骨髓間充質干細胞向肌源細胞定向分化

取培養至第二代的羊骨髓間充質干細胞，加入10 μ mol/L 5-氮雜胞苷誘導24 h后,更換新的含10% FBS的IMDM培養基，培養14 d后,免疫熒光法檢測心肌細胞特異性抗原a- actin表達情況.

1.6免疫熒光實驗

取來誘導后的細胞棄去培養液，用4%甲醛室溫固定30 min后用磷酸鹽緩沖液洗3次，每次15 min；然后用1% (vol/vol) Triton配成含5% (wt/vol) BSA抗體稀釋液，用抗體稀釋液1∶100比例稀釋鼠源抗a- actin抗體,將稀釋好的抗體加到細胞中，4度孵育過夜；第二天用磷酸鹽緩沖液洗3次,每次15 min。再用抗體稀釋液1∶200比例稀釋二抗(驢抗小鼠免疫球蛋白g)，將二抗加到細胞中室溫避光孵育1 h，再用磷酸鹽緩沖液洗3次，每次15 min，然后用5%甘油封片，置于熒光顯微鏡下觀察。

2　結果

2.1實驗過程中實驗組和對照組分別有9只、10只羊因為疾病死亡而脫落，實際嚴格完成實驗的羊分別是實驗組21只、對照組20只。

2.2羊骨髓形態學特征和加壓運動對骨髓間充質干細胞分化的影響

骨髓間充質干細胞在培養48 h內貼壁，細胞形態不一、呈圓形和梭形，隨著培養時間延長，細胞形態以梭形居多，細胞增長速度較快，3-5 d傳代一次。實驗組和對照組的骨髓間充質干細胞同樣條件進行培養，隨著培養時間延長，細胞間形態差異逐漸增大，培養第12 d時顯微鏡下觀察，發現實驗組更多比例的細胞呈圓形，而對照組圓形細胞比例較少，大部分細胞呈梭形,見圖1。

2.3生長曲線

計數結果顯示，培養第1-2 d時細胞數目沒有變化為增殖潛伏期，第3-9 d細胞數目快速增加，進入指數生長期，在9-12 d細胞數目增長緩慢,見圖2。

2.4免疫熒光檢測心肌特異性抗原表達情況

經5-氮雜胞苷誘導24 h后培養14 d時免疫熒光染色發現，細胞呈纖維性，且均呈綠色，表明經誘導后的細胞均強表達心肌細胞特異性抗原α-actin，提示羊骨髓間充質干細胞正處于或已完成向心肌樣細胞分化過程,見圖3。

圖1　實驗組和對照組的骨髓間充質干細胞培養第12天的形態圖(X 4倍)

圖2　實驗組和對照組羊骨髓間充質干細胞的生長曲線圖

圖3　骨髓間充質干細胞經5-氮雜胞苷誘導14天后免疫熒光檢測圖 (X 40倍)

3　討論

從羊骨髓中分離提取的細胞，能貼壁，且能傳代，并且在適宜的條件下誘導能定向分化，提示已經成功培養羊骨髓間充質干細胞。羊骨髓間充質干細胞在5-氮雜胞苷誘導下表達出心肌特異性抗原α-actin，提示骨髓間充質干細胞正處于或已完成向心肌樣細胞分化，對于骨髓間充質干細胞經5-氮雜胞苷誘導后向心肌樣細胞分化的機制還不明確，目前研究認為：5-氮雜胞苷是一種去甲基化藥物，能夠引起DNA 中某些胞嘧啶去甲基化，從而誘導 BMSCs 向心肌細胞分化[9,10]。上述實驗結果表明羊骨髓間充質干細胞在體外培養時表現出較高的增殖速率和定向分化的潛能，為大型動物的骨髓間充質干細胞在體外在適宜的條件下誘導其定向分化提供了一定的可行性，為其在動物醫學和人類醫學的臨床應用提供參考。此外，另有研究表明羊骨髓間充質干細胞免疫原性弱，且易于外源基因的導入和表達，因而在組織工程、細胞和基因治療等領域得到廣泛的應用，羊與其它哺乳動物如人、牛、兔、大鼠等類似，對于以后利用羊骨髓間充質干細胞作轉基因克隆供體細胞的選擇及胚胎發育的研究奠定了基礎，將成為具有廣闊應用前景的一類成體干細胞。同時發現實驗組和對照組的骨髓間充質干細胞在培養過程中出現了生長形態上的差異，實驗組的骨髓間充質干細胞經多次傳代培養后形態上多呈小而圓形，與剛從骨髓中分離的原代細胞形態更接近，更傾向于增殖。骨髓間充質干細胞主要來源于骨髓，骨髓是一典型的低氧環境，同時實驗組動物經過加壓運動造成了一種低氧代謝的狀態。缺氧條件下可能通過反饋刺激使骨髓基質干細胞增殖能力增強，但是分化能力受到抑制，而對照組動物未經加壓運動，常氧條件下的骨髓間充質干細胞多呈梭形，經誘導后向心肌樣細胞分化，提示我們常氧條件下的骨髓間充質干細胞比其在缺氧條件下更傾向于分化。有關加壓運動對骨髓間充質干細胞影響的研究還需深入探討，如加壓運動的壓力值、運動時間和頻次為多少更利于其增殖或分化，這樣就可以根據臨床需要設計加壓運動的各種條件，以調控骨髓間充質干細胞的增殖和分化。

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Effects of KAATSU Training on proliferation and differentiation of goat bone marrow mesenchymal stem cells

YANG Yu-hui,SUN Shao-qian,Sato Voshiaki,et al.

(China-JapanUnionHospitalofJilinUniversity,Changchun130033,China)

ObjectiveTo explore the effects of KAATSU Training on proliferation and differentiation of goat bone marrow mesenchymal stem cells.Methods60 Boer goats were randomly divided into experimental group and control group,the experimental group were given KAATSU Training twice a week,non-KAATSU Training twice a week for the control group,6 months later,we got the goat bone marrow,and then separated and absorbed the white cloud layer which mainly contained the mononuclear cell in the upper-middle interface with the method of percoll-density gradient centrifugation,cultured and observed the cell morphology and the proliferation rate;the cells of the two groups were induced into cardiomyocyte like cells by the 5-azacytidine,The cells which had been differentiated were detected the expression of the cardiac specific antigen a-actin by immunofluorescence assay.ResultsThe cells isolated from the bone marrow in the white cloud layer were adherent,generated and grew well,in addition,the cells which induced by 5-azacytidine could express the cardiac specific antigen.The bone marrow mesenchymal stem cells of the experimental group were small and round,and their proliferation rate was faster than the control group’s,though the shape of the cells in the control group were polygonal or triangular,and the proliferation rate were slow.ConclusionIt has been succeeded both in separation and cultivation of the bone marrow mesenchymal stem cells,and also induced the proliferation of turning into cardiomyocyte like cells in vitro.The bone marrow mesenchymal stem cells in pressurization motion for a long period of time were more easy to proliferate than the cells in non-pressurization motion,but the differentiative capability were low.

KAATSU Training;Bone marrow mesenchymal stem cells;Proliferation,Differentiation

1007-4287(2016)08-1240-04

Q813

A

2015-12-20)

△并列為第一作者