沈晴昳
人牙髓細胞體外培養(yǎng)體是研究人牙髓細胞特性、牙髓組織活動及牙髓修復機制的主要體外模型。但由于人牙髓組織量少,細胞活性低,原代培養(yǎng)成功率較低。因此,筆者通過優(yōu)化人牙髓細胞的體外培養(yǎng)方法和條件,以期提高人牙髓細胞原代培養(yǎng)的成功率,為進一步研究人牙髓細胞的生物學特性提供實驗參考。
1.1 材料 收集2008年1月—3月于我院就診的患者28例,年齡12~20歲,平均14歲,因正畸減數或阻生需要拔除的健康、完整的雙尖牙共45顆,均經患者本人及家屬知情同意。牙齒拔除后使用無菌高速渦輪機金剛砂車針沿牙骨質-牙本質界進行環(huán)形切割,移至超凈臺內,PBS液反復沖洗后劈開冠根,輕柔取出牙髓組織,去除根尖孔端約2 mm部分,置D-Hanks液中備用。
1.2 主要儀器與試劑 CO2飽和濕度細胞培養(yǎng)箱(Heraeus,德國),超凈工作臺(蘇凈集團蘇州安泰空氣技術有限公司),倒置相差顯微鏡(Leica,德國);Axioshop-Plus攝影顯微鏡(ZEISS,德國),Z2型細胞計數儀(Beckman Coulter,美國),培養(yǎng)瓶(25 cm2)、培養(yǎng)皿(直徑6 mm,21 cm2)、24孔細胞培養(yǎng)板(Cornning,美國)、蓋玻片(海門昌隆儀器有限公司);DMEM培養(yǎng)基、胎牛血清、青霉素和鏈霉素(Gibco,美國)、Ⅰ型膠原酶/Dispase(Sigma,美國)、即用型SABC免疫組化染色試劑盒(武漢博士德)。
1.3 方法
1.3.1 原代細胞的培養(yǎng) 采用3種不同培養(yǎng)方法,每種各15例。(1)組織塊法:在超凈臺內將人牙髓組織置于小平皿內,在含200 mL/L胎牛血清、100 U/mL青霉素和100 mg/L鏈霉素的DMEM培養(yǎng)基浸潤下充分剪碎,呈約0.5~1.0 mm3大小,用牙科探針將組織碎塊移入培養(yǎng)瓶內,以0.5 cm間距均勻擺置。培養(yǎng)瓶中加入少量含200 mL/L胎牛血清、100 U/mL青霉素及100 mg/L鏈霉素的DMEM培養(yǎng)液,瓶底向上,放入37℃、5%CO2的飽和濕度條件下的培養(yǎng)箱中,3.5 h后翻轉培養(yǎng)。(2)酶消化法:將人牙髓組織在完全培養(yǎng)液浸潤下剪碎,呈約0.5~1.0 mm3大小,以3 g/L的I型膠原酶和4 g/L的dis?pase等量混合(體積比為1∶1)為消化液,用量為組織量的30~50倍,取約5 mL于37℃水浴搖床溫和振蕩,消化1 h,終止消化后1 200 r/min離心10 min,收集細胞并用培養(yǎng)液清洗2次,加入含200 mL/L胎牛血清、100 U/mL青霉素和100 mg/L鏈霉素的DMEM培養(yǎng)液,轉置塑料培養(yǎng)瓶內37℃恒溫培養(yǎng)箱標準條件下培養(yǎng)。(3)改良組織塊法:在完全培養(yǎng)液充分浸潤條件下用眼科剪將牙髓組織剪成約0.5~1.0 mm3大小的組織塊。在直徑6 mm的培養(yǎng)皿的底壁滴加1滴含200 mL/L胎牛血清、100 U/mL青霉素和100 mg/L鏈霉素的DMEM培養(yǎng)液,用牙科探針將組織碎塊移入培養(yǎng)皿中的培養(yǎng)液滴中,使每滴培養(yǎng)液內約含8~10小塊組織。用少量無菌凡士林涂抹于消毒后的蓋玻片邊緣后,將蓋玻片緩慢覆蓋于組織塊上,輕輕加壓,通過凡士林將蓋玻片黏附在培養(yǎng)皿底壁,以固定組織塊。覆蓋時應注意使培養(yǎng)液完全充盈于蓋玻片與組織塊之間,切勿產生氣泡,加入含200 mL/L胎牛血清、100 U/mL青霉素和100 mg/L鏈霉素的DMEM培養(yǎng)液放入培養(yǎng)箱中,于37℃、5%CO2、飽和濕度條件下培養(yǎng)。
1.3.2 傳代方法 在倒置顯微鏡下觀察不同培養(yǎng)方法的組織塊貼壁和細胞生長狀況。組織塊法和改良組織塊法培養(yǎng)時,在組織塊內未游出細胞前每7 d更換1次培養(yǎng)液,細胞游出后則3 d換液1次。待細胞單層生長到覆蓋瓶底的50%~60%以上時進行首次傳代,傳代比例為1∶1,以后傳代時機為細胞生長至鋪滿瓶底80%~90%,傳代比例為1∶2。酶消化法3 d換培養(yǎng)液,細胞生長至80%匯合態(tài)時,按1∶2消化傳代。
1.3.3 細胞來源鑒定及細胞生長曲線 分別取3種不同培養(yǎng)方法獲得的第2代對數生長期人牙髓細胞細胞爬片,按試劑盒說明書進行波形絲蛋白、角蛋白免疫組化染色,光鏡下觀察。取3種不同培養(yǎng)方法獲得的第3代人牙髓細胞,分別制成單細胞懸液,以2×104個細胞/孔接種于24孔板,每3 d換液1次,接種后每天消化5孔進行細胞計數,取平均值。連續(xù)計數9 d,繪制細胞生長曲線。
2.1 組織塊法原代細胞的生長狀況和形態(tài)學觀察 各例培養(yǎng)瓶中牙髓組織塊約1/3能緊密貼附于培養(yǎng)瓶壁。傳統(tǒng)組織塊法培養(yǎng)人牙髓細胞4例成功,成功率26.7%。成功的4例于8~15 d時細胞從組織塊邊緣游出,呈草叢狀生長,隨生長密度逐漸增加,細胞呈放射狀或漩渦狀排列,見圖1。細胞游出3~4周后覆蓋瓶底達60%~70%順利首次傳代,但細胞生長增殖較緩慢。傳代3~4次后生長周期趨于穩(wěn)定,平均每7 d傳代一次。獲得的牙髓細胞主要是成纖維樣細胞,形態(tài)多為長梭形,胞體豐滿,胞漿均勻,核圓,核仁清晰,個別培養(yǎng)瓶中可見少量內皮樣細胞。有8例雖有個別組織塊邊緣有細胞游出,但因生長緩慢而無法成功傳代。其余3例,直至第28天仍未見組織塊內游出細胞。
2.2 酶消化法原代細胞的生長狀況和形態(tài)學觀察 酶消化牙髓組織后能獲得大量細胞,主要是成纖維樣細胞,偶見細長的梭形細胞和少量多角形內皮樣細胞團塊,能存活、貼壁的細胞只占少數,且細胞生長緩慢,見圖2。15例中僅有2例分別于12 d和14 d首次傳代,2例分別于第3天、第5天出現(xiàn)污染,其余11例細胞均達不到傳代要求,成功率13.3%。
2.3 改良組織塊法原代細胞生長狀況和形態(tài)學觀察 12例培養(yǎng)成功。培養(yǎng)皿中所有組織塊均被固定在底壁,未見懸浮的組織塊。15例牙髓組織中,有12例在3~10 d內可見細胞游出,其余3例在28 d內未見細胞游出,視為培養(yǎng)失敗,培養(yǎng)成功率80.0%。倒置相差顯微鏡下,細胞呈長梭形成纖維樣細胞形態(tài),隨著培養(yǎng)時間的延長,幾乎所有的組織塊周圍都有細胞游出,且細胞密度明顯增加,肉眼觀察組織塊周邊可見明顯的生長暈,見圖3。細胞從組織塊中游出2~3周后,12例牙髓原代細胞均能成功傳代,傳代后第2天,懸浮的細胞又貼壁生長,呈條梭形,均勻地分布于整個培養(yǎng)皿底壁,牙髓細胞增殖活躍,見圖4。
2.4 細胞來源鑒定 3種不同方法獲得的細胞經免疫組化染色均顯示波形絲蛋白呈陽性,陽性顆粒在胞漿內分布均勻,角蛋白呈陰性,見圖5。
2.5 細胞生長曲線 3種不同培養(yǎng)方法獲得的人牙髓細胞均在接種后的第1天細胞數量有所下降,第2、3天細胞開始增殖,速度較緩慢,從第4天進入對數生長期,直至第8天進入平臺期,第9天細胞數量略有減少,生長曲線均呈“S”形,其中酶消化法較其他2種方法所得牙髓細胞的生長情況略差,見圖6。
圖6 不同原代培養(yǎng)方法所獲第3代人牙髓細胞的生長曲線
牙髓組織是一種胚胎性、嬌嫩的疏松結締組織,含有成牙本質細胞、成纖維細胞、組織細胞和未分化間充質細胞等多種細胞成分。在一定程度范圍內遭受損傷、感染等不良刺激后,牙髓組織具有再生修復潛能。牙髓細胞培養(yǎng)是研究牙髓生物特性的主要模型和重要手段。但由于人牙髓組織量少,細胞活性低,且隨著年齡增長易發(fā)生退行性病變,所以牙髓組織比其他組織更難于進行原代培養(yǎng)[1-2]。
本實驗結果顯示,3種不同方法所獲取的細胞經免疫組化染色均顯示波形絲蛋白陽性、角蛋白陰性,提示細胞來源于外胚間葉組織,非上皮來源,符合牙髓組織學特征。
酶消化法是體外獲取細胞的常用方法之一。但有研究認為,經長時間或者高濃度酶消化作用后大量細胞被滅活,甚至可破壞細胞表面的蛋白質,使細胞表面通透性升高,活力下降,生長緩慢,難以成功傳代[3]。Gronthos等[4]首次將中性蛋白酶dispase與Ⅰ型膠原酶聯(lián)合應用消化人牙髓組織,獲得增殖力強、克隆形成率高并有分化潛能的具備干細胞特性的細胞群。但劉俊等[5]研究表明相對于其他組織而言,牙髓組織量太小,總體細胞量過少,Ⅰ型膠原酶在消化酶解人牙髓組織細胞外基質的主要成分Ⅰ型膠原的同時,對牙髓細胞也有毒性作用;中性蛋白酶dispase性質柔和,不會對細胞膜造成損害,與Ⅰ型膠原酶聯(lián)合應用后雖可減輕對細胞的毒性作用,但是必須保證足夠的消化時間才能使牙髓組織完全解離,而人牙髓組織代謝需求高,酶消化處理使其脫離營養(yǎng)環(huán)境過久同樣會造成大量細胞死亡。與組織塊法比較,單純酶消化法雖可獲得大量細胞,但由于酶對細胞的毒性作用,能存活壁的細胞數量卻極少,同時由于其操作繁瑣、易污染而較少采用,本研究中此法僅2例培養(yǎng)成功。
組織塊法操作簡單易行,已被廣泛應用于頜下腺[6]、嗅上皮[7]、主動脈平滑肌[8]等各種組織的原代培養(yǎng)中。影響組織塊貼壁的因素很多,包括組織塊本身的性狀、大小和干燥程度[9]。有報道組織塊法培養(yǎng)人牙髓細胞的成功率在10%左右,且失敗的主要原因是組織塊貼壁率較低[10]。在本研究中,筆者亦發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)瓶翻轉的時間很難掌握,過早翻轉,組織塊則因尚未牢固貼壁而易漂浮,如若翻轉過晚,組織塊因脫離營養(yǎng)環(huán)境過久,細胞不能游出,這些都可能導致細胞培養(yǎng)的失敗。
綜上,本研究對常規(guī)組織塊法進行的改良,使用蓋玻片覆蓋并固定牙髓組織塊,簡化了操作步驟,增加了組織塊與培養(yǎng)皿的接觸面積,更減少了翻轉加液及搬運過程中外力對貼壁組織塊的沖擊作用,解決了組織塊的貼壁難的問題,提高了培養(yǎng)的成功率。
(致謝:本實驗受到上海交通大學醫(yī)學院附屬第九人民醫(yī)院的張秀麗老師、朱亞琴老師和江龍醫(yī)師的大力幫助,在此致以衷心的感謝)
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