肖正俊,阿良,李洪秋,鄧純博
(沈陽(yáng)醫(yī)學(xué)院附屬中心醫(yī)院 骨外2 科,遼寧 沈陽(yáng) 110024)
目前,國(guó)內(nèi)外有三種方法治療骨缺損[1,2],具體如下:⑴自體骨移植、異體骨移植和異種骨移植。但自體移植存在供區(qū)來源有限,且對(duì)供區(qū)造成損傷,給患者帶來一定的痛苦;異體和異種骨移植會(huì)引起免疫排斥反應(yīng)和傳播疾病等并發(fā)癥;⑵骨延長(zhǎng)術(shù)[3-5]在延長(zhǎng)骨的同時(shí)也有利于缺損軟組織的修復(fù),顯示了其在治療創(chuàng)傷性復(fù)雜骨缺損的優(yōu)越性。治療周期長(zhǎng),患者活動(dòng)不便,可能發(fā)生針道感染、松動(dòng)及斷裂等是該項(xiàng)技術(shù)的主要不足;⑶誘導(dǎo)膜技術(shù)(Masquelet 技術(shù))[6-8]為大段骨缺損治療帶來了新的曙光,其存在治療周期長(zhǎng)和二次手術(shù)的缺點(diǎn)。我們擬定利用羊膜構(gòu)建組織工程骨膜,體外檢測(cè)其可行性。
實(shí)驗(yàn)動(dòng)物:成年家兔2 只,用于分離培養(yǎng)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞和建立家兔大段骨缺損研究模型,沈陽(yáng)醫(yī)學(xué)院附屬中心醫(yī)院實(shí)驗(yàn)中心提供。健康人羊膜:由沈陽(yáng)醫(yī)學(xué)院附屬中心醫(yī)院產(chǎn)科提供。
冷凍干燥機(jī)(英國(guó)LANCD 型號(hào));純水機(jī)(法國(guó)Millipore);Ph 計(jì)(美國(guó) Orion);超低溫冰箱(日本SANYO);微量移液槍(美國(guó) Sigma);水浴箱(中國(guó)蘇州柏西瓦爾);培養(yǎng)板(美國(guó)Costar);臺(tái)式離心機(jī)(美國(guó)Sigma);漩渦振蕩器(中國(guó)北京優(yōu)晟);超凈工作臺(tái)(中國(guó)上海祺享智能科技有限公司);電子天秤(中國(guó)北京西杰);照相顯微鏡(日本Olympus);倒置顯微鏡(日本Olympus);CO2培養(yǎng)箱(美國(guó)Thermo Forma);掃描電鏡(SEM)(荷蘭 QUANTA200 Philips)。
1.3.1 家兔的骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的分離培養(yǎng)及傳代
首先在無菌條件下應(yīng)用剪刀和鑷子分離出家兔的脛骨,去除肌肉等軟組織,用5 mL 注射器抽取培養(yǎng)基沖洗骨髓,制成單細(xì)胞懸液。調(diào)節(jié)離心機(jī)每分鐘1 200 轉(zhuǎn)持續(xù)5 min 后,棄上清液。選取含有L-DMEM及10%FBS 混合懸細(xì)胞,接種到25 cm2的培養(yǎng)瓶中,溫度為37℃、含5%CO2的培養(yǎng)箱中,間隔2~3 d 更換培養(yǎng)液,于倒置相差顯微鏡下觀察細(xì)胞的生長(zhǎng)情況及附壁情況,4~6 d 細(xì)胞80%~90%相融合。細(xì)胞傳代時(shí),倒棄培養(yǎng)液,PBS 緩沖液清洗3 次,加入0.1%EDTA-Na2與0.25%胰酶消化液約2 mL,用力均勻搖動(dòng)培養(yǎng)瓶,使細(xì)胞表面均有消化液漫過,2~4 min 后,鏡下觀察細(xì)胞變形回縮,棄消化液,滴入血清培養(yǎng)基,用吸管輕輕吹打附于細(xì)胞的管壁,細(xì)胞懸液就此形成。根據(jù)計(jì)數(shù)板上計(jì)出細(xì)胞數(shù)的多少,將細(xì)胞懸液按 1∶2.5 用含 L-DMEM 及 10% FBS 稀釋至4~6 mL,接種到25 cm2的培養(yǎng)瓶中,并置于溫度為37℃、含5%CO2的培養(yǎng)箱中,進(jìn)行傳代培養(yǎng)并于顯微鏡下觀察,重復(fù)上述方法并傳至第三代家兔的骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞[9]。
1.3.2 家兔骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨誘導(dǎo)分化鑒定
取第三代家兔骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞約2~3×104個(gè)細(xì)胞/孔密度接種在6 空板血蓋片中,H-DMEM 完全培養(yǎng)基24 h 后換作成骨誘導(dǎo)液,每2~4 天換液一次,第4 周行鈣結(jié)節(jié)茜素紅染色。用PBS 緩沖液沖洗2~3 次,75%乙醇固定12 min,雙蒸水沖洗4 次;0.1%茜素紅Tris-HCL37℃,30 min;蒸餾水沖洗、干燥、快干膠封片[10],顯微鏡下觀察并采圖。
1.3.3 人脫細(xì)胞羊膜的取材、處理及保存方法
⑴人脫細(xì)胞羊膜的取材與處理[11]:胎盤與胎兒分離后立即取胎盤置于無菌盒中,無菌條件下用生理鹽水沖洗凈胎盤上的血凝塊,通過羊膜與絨毛膜間的潛在間隙鈍性分離獲取羊膜,用無菌PBS 緩沖液洗凈羊膜殘留組織與血塊等雜質(zhì),抗生素生理鹽水(含慶大霉素1 000u/mL、兩性霉素B 2.5 μg/mL)浸泡 20 min,0.25%胰酶消化 24 h,PBS 緩沖液沖洗 4~5 次。將人脫細(xì)胞羊膜平鋪于無菌濾紙片上,上皮面朝上,剪成20 mm×20 mm 小塊,隨機(jī)分成三組備用。
⑵人脫細(xì)胞羊膜的保存方法[12]:將人脫細(xì)胞羊膜連同濾紙片按下述方法保存,使用前用無菌PBS緩沖液浸泡15 min。
方法一:Hank’s 平衡鹽/ 甘油溶液深低溫保存:將人脫細(xì)胞羊膜片放入裝有4 mL 滅菌Hank’s平衡鹽/甘油溶液(Hank’s 平衡鹽溶液與甘油體積比為3∶1)的中性硅玻璃瓶中,封閉瓶口,-80℃環(huán)境保存,使用前室溫自然解凍。此方法保存人脫細(xì)胞羊膜6 個(gè)月時(shí)細(xì)胞基本完整和連續(xù)。
方法二:純甘油4℃保存:將人脫細(xì)胞羊膜片放入裝有4 mL 滅菌純甘油的中性硅玻璃瓶中,封閉瓶口,4℃冰箱保存。此方法保存人脫細(xì)胞羊膜3 個(gè)月時(shí)細(xì)胞就出現(xiàn)嚴(yán)重皺縮形態(tài),結(jié)構(gòu)模糊。
將人脫細(xì)胞羊膜固定后行HE 染色,觀察細(xì)胞是否去除干凈;掃描電鏡下觀察人脫細(xì)胞羊膜的結(jié)構(gòu)特征。
⑶家兔骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞負(fù)載于人脫細(xì)胞羊膜上的生長(zhǎng)曲線檢測(cè):取成年家兔骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞第三代,將細(xì)胞濃度調(diào)整為6×103/mL,種植到48 孔板中,其中24 孔板內(nèi)為提前浸泡無血清培養(yǎng)基的人脫細(xì)胞羊膜,另24 孔板內(nèi)為提前浸泡無血清培養(yǎng)基的無材料組,每孔各加入0.5 mL 第三代家兔骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞懸液。從第二天起,每天相同時(shí)間取6孔加入濃度為4 g/L 的四氮唑鹽溶液40 μL,約在37℃下孵育4 h,停止培養(yǎng)細(xì)胞,棄上清液后,每孔再加入300 μL DMSO,震蕩10 min 后,將上清等量吸出到96 孔板中,510 nm 波長(zhǎng)測(cè)每孔吸光度,并計(jì)算6孔的平均值,橫軸表示時(shí)間,縱軸代表光吸收值,繪制生長(zhǎng)曲線。
⑷家兔骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞負(fù)載于人脫細(xì)胞羊膜并成骨誘導(dǎo)培養(yǎng):消化收集第三代家兔骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞,調(diào)節(jié)離心機(jī)每分鐘1 200 轉(zhuǎn)離心,調(diào)整細(xì)胞密度為2×106/mL,使用微量移液器滴加到24 孔板中的人脫細(xì)胞羊膜上(大小為1.5 cm×1.5 cm),每片200 μL 均勻涂抹。將培養(yǎng)板在 37℃、5%C02、飽和濕度條件下靜置3 h,使細(xì)胞附著于人脫細(xì)胞羊膜上,再加入1 mL 成骨誘導(dǎo)液 (包含地塞米松8~10 mmol/L,10%胎牛血清,VitC 50 mg/L,高糖 DMEM,β-磷酸甘油鈉10 mmol/L)培養(yǎng),對(duì)照組不加入成骨誘導(dǎo)液,每2~4 天更換一次培養(yǎng)液。定期觀察及檢測(cè)對(duì)照組及實(shí)驗(yàn)組的標(biāo)本。大體觀察:家兔骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞負(fù)載于人脫細(xì)胞羊膜培養(yǎng)后定期從培養(yǎng)孔內(nèi)生物材料取出,直視下觀察加成骨誘導(dǎo)劑及未加成骨誘導(dǎo)劑的復(fù)合而成的組織工程骨膜材料的顏色、性狀、質(zhì)地。組織學(xué)觀察:家兔骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞負(fù)載于人脫細(xì)胞羊膜培養(yǎng)后定期從培養(yǎng)孔內(nèi)生物材料取出,4%多聚甲醛固定,石蠟塊進(jìn)行包埋,組織學(xué)切片,行HE 染色,顯微鏡下觀察組織工程骨膜。掃描電鏡(SEM)觀察:家兔骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞負(fù)載于人脫細(xì)胞羊膜培養(yǎng)后定期從培養(yǎng)孔內(nèi)生物材料取出,按照2.5%戊二醛固定,使用酒精脫水,醋酸異戊酯作工作液等步驟,臨界點(diǎn)干燥,表面噴金后上機(jī)觀察家兔骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞在人脫細(xì)胞羊膜上的黏附、生長(zhǎng)、分化、增殖情況。鈣結(jié)節(jié)染色檢測(cè)(茜素紅染色、Von kossa 染色):家兔骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞負(fù)載于人脫細(xì)胞羊膜復(fù)合培養(yǎng)后定期從培養(yǎng)孔內(nèi)生物材料取出,行鈣結(jié)節(jié)茜素紅染色。將標(biāo)本用PBS 緩沖液沖洗2~3 次,使用75%乙醇固定10 min,再用雙蒸水沖洗4~5 次,最后于 37℃下用 0.1%茜素紅 Tris-HCl(PH 8.3)30 min 染色;雙蒸餾水沖洗、干燥、快干膠封片,顯微鏡下觀察并采集圖片。定期取出復(fù)合的組織工程骨膜材料后,先使用4%多聚甲醛固定標(biāo)本,5%硫代硫酸鈉孵育30 min,蒸餾水沖洗,然后再使用1%硝酸銀溶液紫外線下染色30 min,雙蒸餾水沖洗掉細(xì)胞表面的黑色物質(zhì),最后使用5%硫代硫酸鈉染色2 min 及1%中性紅復(fù)染10 min,雙蒸餾水漂洗后觀察標(biāo)本并采集圖片。主要觀察內(nèi)容及指標(biāo):家兔骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的形態(tài)及鑒定。HE 染色及掃描電鏡下觀察人羊膜脫細(xì)胞的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。家兔骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞負(fù)載于人脫細(xì)胞羊膜上的生長(zhǎng)曲線的檢測(cè)(MTT)。HE 染色及掃描電鏡下觀察家兔骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞負(fù)載于人脫細(xì)胞羊膜上的附著、生長(zhǎng)、及增殖情況。
通過組間F檢驗(yàn)其差別。
培養(yǎng)48 h 后細(xì)胞開始貼壁生長(zhǎng),出現(xiàn)纖維樣細(xì)胞形態(tài),大小不一細(xì)胞集落逐漸增多,72 h 后基本全部貼壁生長(zhǎng),緊密排列,細(xì)胞集落及增生灶不斷增加,細(xì)胞呈長(zhǎng)梭形,其形態(tài)發(fā)生了本質(zhì)性的變化。培養(yǎng)3~4 d 后細(xì)胞增殖加快,90%左右的細(xì)胞開始融合,形成片,并呈現(xiàn)出多變性的體型。一周細(xì)胞生長(zhǎng)鋪滿95%的瓶底,平行排列成“螺旋”狀或“旋渦”狀,細(xì)胞核明顯、清晰,核漿比例增大。第1~2 代細(xì)胞間的貼壁和生長(zhǎng)速度無明顯區(qū)別,呈比原代更均勻的長(zhǎng)梭形,細(xì)胞間隔更均勻,傳至第三代時(shí)無明顯變化。其中傳代1~2 d 為潛伏生長(zhǎng)期,3~6 d 為對(duì)數(shù)增殖期,對(duì)數(shù)增殖期結(jié)束后進(jìn)入平臺(tái)期和下降期。如圖1-3 所示為家兔骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞形態(tài)學(xué)圖片。
圖1 原代細(xì)胞
圖2 第三代細(xì)胞
圖3 酶處理后的細(xì)胞
家兔骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞經(jīng)成骨誘導(dǎo)液培養(yǎng),顯微鏡下可見其細(xì)胞聚集成團(tuán)生長(zhǎng),誘導(dǎo)至2 周左右倒置相差顯微鏡下可見集落生長(zhǎng)的細(xì)胞群體,呈“旋渦”團(tuán)狀向四周放射生長(zhǎng),形成多個(gè)分布不均、大小不一、形態(tài)各異的鈣素結(jié)節(jié),逐漸增大,3 周后被茜素紅染成玫瑰紅色。圖4 所示成骨細(xì)胞檢測(cè)的結(jié)果。
經(jīng)物理及化學(xué)等方法處理獲得的人脫細(xì)胞羊膜呈淺乳白色半透明狀膜,冷凍干后的人脫細(xì)胞羊膜成白色紙狀,其表面略顯粗糙。經(jīng)物理及化學(xué)等方法處理獲得的人脫細(xì)胞羊膜,HE 染色及掃描電鏡下觀察顯示大量的粉紅色膠原細(xì)胞外基質(zhì),呈網(wǎng)狀交錯(cuò)分布,沒有破壞其結(jié)構(gòu)和成分,未見有細(xì)胞形態(tài)的結(jié)構(gòu)(圖5-7)。
檢測(cè)家兔骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞負(fù)載于人脫細(xì)胞羊膜(實(shí)驗(yàn)組)及無人脫細(xì)胞羊膜(對(duì)照組)上增殖情況,接種后第2 天細(xì)胞開始增殖,第3 天細(xì)胞進(jìn)入快速增長(zhǎng)期,前4 d 實(shí)驗(yàn)組及對(duì)照組細(xì)胞增殖速度無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(F>0.05)。對(duì)照組第5 天達(dá)到了細(xì)胞增殖的高峰,實(shí)驗(yàn)組第7 天細(xì)胞達(dá)增殖高峰,爾后增殖呈下降趨勢(shì)。其中第3 天、5 天實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組增殖細(xì)胞量的組間F檢驗(yàn)具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(F<0.05),對(duì)照組增殖細(xì)胞量比實(shí)驗(yàn)組少;第5 和第7 天兩組增殖細(xì)胞量通過組間F檢驗(yàn)顯示具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01),對(duì)照組增殖細(xì)胞量比實(shí)驗(yàn)組少(表1)。
表1 兩組增殖細(xì)胞的比較
與無人脫細(xì)胞羊膜組相比,F(xiàn)<0.05,具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,說明家兔骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞可以在人脫細(xì)胞羊膜上生長(zhǎng)及增殖,比無人脫細(xì)胞組的細(xì)胞增殖量更多,并且為細(xì)胞提供了良好的生長(zhǎng)空間及環(huán)境。
對(duì)照組中體外復(fù)合培養(yǎng)見家兔骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞粘附于人脫細(xì)胞羊膜,細(xì)胞增殖良好。肉眼觀察復(fù)合而成的組織工程骨膜材料的顏色和組織硬度不變,并且電鏡下觀察未見有大量的成骨組織形成。實(shí)驗(yàn)組體外復(fù)合培養(yǎng)見家兔骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞粘附于人脫細(xì)胞羊膜,分泌大量的細(xì)胞外基質(zhì),有大量的細(xì)胞分化及增殖。肉眼觀察復(fù)合復(fù)合而成的組織骨膜材料的顏色變白,組織硬度增加,電鏡觀察見有大量的成骨組織形成。鈣結(jié)節(jié)茜素紅染色(+),鈣結(jié)節(jié)Vonkossa 染色(+)(圖8,9)。
目前臨床已有多種技術(shù)修復(fù)大段骨缺損,但各種技術(shù)都有其局限性,如自體骨移植存在額外手術(shù)創(chuàng)傷、骨質(zhì)吸收、移植骨數(shù)量有限、形態(tài)不滿意、供區(qū)并發(fā)癥等問題;同種異體骨移植存在傳播疾病風(fēng)險(xiǎn);誘導(dǎo)膜技術(shù)要求受區(qū)有良好的軟組織條件,需二次手術(shù)取出骨水泥、植入自體松質(zhì)骨。在大段骨缺損的修復(fù)過程中,對(duì)局部環(huán)境有嚴(yán)格的要求:⑴骨缺損區(qū)域的機(jī)械穩(wěn)定環(huán)境,如外固定架、髓內(nèi)針、鋼板等固定技術(shù);⑵成骨細(xì)胞及多種誘導(dǎo)分子,如β-轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子(TGF-β)、胰島素樣生長(zhǎng)因子-Ⅰ、Ⅱ(IGF-Ⅰ,Ⅱ),骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)、成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子。在成骨過程中,誘導(dǎo)因子可使聚集的前體細(xì)胞定向分化為成骨細(xì)胞及血管祖細(xì)胞,促進(jìn)細(xì)胞增殖、遷移過程及血管化進(jìn)程及成骨細(xì)胞黏附增殖;⑶阻止缺損處纖維組織長(zhǎng)入,如缺損處植骨、骨水泥、鈦網(wǎng)、生物膜等。
圖4 骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞成骨的鑒定
圖5 人脫細(xì)胞羊膜
圖6 HE 染色圖片
圖7 電鏡下觀察
圖8 BMSCs 與HAAM復(fù)合培養(yǎng)5 d
圖9 BMSCs 與HAAM 復(fù)合培養(yǎng)7 d
骨膜是皮質(zhì)骨外表面的纖維狀血管膜,作為祖細(xì)胞的重要貯存之一,在骨形成和再生中起著重要作用。該膜由兩層膜組成:包含成纖維細(xì)胞的纖維層和包含多能間充質(zhì)干細(xì)胞和成骨細(xì)胞的內(nèi)層。此外骨膜是局部生長(zhǎng)因子的來源,如VEGF 和BMP-2,一些體內(nèi)研究顯示,當(dāng)骨膜被移除時(shí),骨修復(fù)受到顯著影響。其他研究表明骨膜細(xì)胞在自體皮質(zhì)骨移植物的愈合中具有關(guān)鍵作用,并且骨膜自體移植物可以促進(jìn)骨折愈合。
羊膜位于胎盤的最內(nèi)層,多個(gè)體外實(shí)驗(yàn)已經(jīng)表明人羊膜具有成骨特性,BMP-2 已經(jīng)在足月新生兒未分化的人羊膜中被檢測(cè)到,這種生長(zhǎng)因子可誘導(dǎo)間充質(zhì)干細(xì)胞向成骨細(xì)胞的分化以及內(nèi)皮細(xì)胞和宿主成骨細(xì)胞的增殖和遷移。研究表明,羊膜提取物或羊膜/絨毛膜提取物中含有與成骨有關(guān)的生長(zhǎng)因子,如成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子和轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子,它們可能促進(jìn)MG-63 細(xì)胞的成骨分化。人脫細(xì)胞羊膜與家兔骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞聯(lián)合應(yīng)用時(shí),我們看到大量新生的骨組織,骨組織內(nèi)可見血管網(wǎng)及不規(guī)則髓腔。
骨膜和人羊膜具有若干相似的特征,包括干細(xì)胞的存在、生長(zhǎng)因子、體外證明的成骨能力,二者都具有滲透性;然而,重要的是要表明骨膜血管化程度很大,而HAAM 是無血管的。一些研究發(fā)現(xiàn)骨骼?。?dòng)蛋白)分泌的可溶性因子影響骨代謝。肌肉也是促進(jìn)骨愈合的細(xì)胞和生長(zhǎng)因子的重要來源。在骨膜處植入人羊膜可作為肌肉-骨骼間的屏障,使肌動(dòng)蛋白不能在組織之間移動(dòng),此外,⑴羊膜通透性良好,允許營(yíng)養(yǎng)因子及組織液通過;⑵羊膜在骨缺損周圍形成機(jī)械屏障阻止組織長(zhǎng)入;⑶羊膜本身具有干細(xì)胞及多種生長(zhǎng)因子;⑷羊膜抗原性低,不引起排斥反應(yīng);⑸羊膜易于獲得,術(shù)中操作簡(jiǎn)單??梢姡蚰け旧砭褪且环N良好的生物材料[13],HAAM 材料屬于可吸收膠原類材料,能夠作為種子細(xì)胞的支架復(fù)合構(gòu)成組織工程骨膜,為臨床應(yīng)用修復(fù)骨缺損帶來了曙光[14]。
BMSCs 具有多向分化及自我復(fù)制的能力[15],雖是非造血干細(xì)胞,但是在應(yīng)激等一定的條件刺激及誘導(dǎo)下可以分化為成熟的細(xì)胞,如軟骨及成骨細(xì)胞,供臨床及科研的應(yīng)用,并且免疫原性較低。兩者相結(jié)合,提供適宜的環(huán)境,不改變細(xì)胞相容性和人脫細(xì)胞羊膜原本的特性,置于骨缺損區(qū)域誘導(dǎo)成骨的生長(zhǎng)。
組織工程骨膜有良好的生物降解性、透明性等特性,作為修復(fù)大段骨缺損的材料有其獨(dú)特的優(yōu)越性。骨組織工程技術(shù)是將種子細(xì)胞經(jīng)過體外培養(yǎng),復(fù)合于支架材料,然后將細(xì)胞-支架復(fù)合體植入體內(nèi)骨缺損部位。在誘導(dǎo)分子的作用下,前體細(xì)胞聚集、增殖、分化、黏附,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)成骨過程。