葉錦豪,陳 靜,季 楊,顧杰蕾,劉建衛(wèi),劉世明,鐘 赟
(廣州醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院廣州心血管疾病研究所,廣州呼吸健康研究院呼吸疾病國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東省血管疾病重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東廣州510260)
冠心病在全世界的發(fā)病率都很高,且是死亡的主要原因。到2030 年,預(yù)計(jì)因心血管疾病死亡的人數(shù)將增至2330 萬[1]。目前,缺血性心臟病的治療方法主要有藥物、經(jīng)皮冠脈介入及冠脈搭橋術(shù),雖然這些方法已經(jīng)大大提高患者的生存率,但是無法抑制心肌梗死后纖維瘢痕組織的形成和心室組織的重構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn),促血管新生可以減少心肌缺血后缺血區(qū)心肌細(xì)胞的壞死,減緩心肌梗死的進(jìn)展,改善心臟功能[2]。
間充質(zhì)干細(xì)胞(mesenchymal stem cells,MSCs)移植被認(rèn)為是一種很有前途的修復(fù)心肌梗死后心肌組織的治療方法,然而,心肌梗死后損傷局部缺氧和炎癥微環(huán)境限制了移植的干細(xì)胞的存活和療效[3]。近年來發(fā)現(xiàn),移植后的干細(xì)胞可通過旁分泌起作用,其所分泌的外泌體(exosome)可能起到重要保護(hù)效應(yīng)。外泌體是一種由細(xì)胞分泌的納米級(jí)膜性小囊泡,攜帶大量功能性蛋白質(zhì)和RNA 等,可在細(xì)胞間轉(zhuǎn)移這些活性分子,從而調(diào)節(jié)受體細(xì)胞的生命活動(dòng)[4]。
有研究報(bào)道,低氧預(yù)處理可以增強(qiáng)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的旁分泌作用,其分泌的外泌體在體外促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞功能,并在心梗動(dòng)物模型中增加梗死區(qū)域的血管密度,減少心肌細(xì)胞凋亡和心梗后的不良重構(gòu),改善心功能[5]。人臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞(human um?bilical cord mesenchymal stem cells,hUCMSCs)是典型的成體干細(xì)胞之一,與骨髓來源的干細(xì)胞相比,具有免疫原性低、無創(chuàng)傷獲取、易于體外擴(kuò)增等優(yōu)點(diǎn)[6]?;谝陨涎芯楷F(xiàn)狀,本研究選用hUCMSCs,在體外探討hUCMSCs 經(jīng)低氧預(yù)處理后,其分泌的外泌體對(duì)人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞(human umbilical vein endo?thelial cells,HUVECs)增殖、遷移和小管形成能力的影響及可能機(jī)制。
DMEM/F12和EBM-2培養(yǎng)基、胎牛血清(fetal bo?vine serum,F(xiàn)BS)、Ⅱ型膠原及誘導(dǎo)分化液購(gòu)自Gib?co;Cell Counting Kit-8(CCK-8)購(gòu)自Dojindo;EdU試劑盒購(gòu)自廣州市銳博生物科技有限公司;基質(zhì)膠購(gòu)自Corning;抗CD63抗體、抗CD9抗體、抗Alix抗體和抗鈣連蛋白(calnexin)抗體購(gòu)自 Proteintech;抗GAPDH抗體購(gòu)自Cell Signaling Technology。
2.1 HUVECs 的分離、培養(yǎng)與鑒定 無菌狀態(tài)下取健康新生兒臍帶,在超凈工作臺(tái)內(nèi),找到臍靜脈口,D-Hanks 液沖凈臍靜脈內(nèi)血液。止血鉗夾住臍靜脈一端,用注射器灌注1 g/L Ⅱ型膠原酶,待靜脈完全充盈后夾閉另一端。將臍帶放入含PBS 的燒杯中消化20 min。取出臍帶并收集消化液到離心管中,用含5% FBS 的EBM-2 培養(yǎng)基沖洗臍靜脈,收集沖洗液到離心管中,1 500 r/min 離心5 min,棄上清液,加入含5% FBS 的EBM-2 培養(yǎng)基重懸細(xì)胞于培養(yǎng)瓶中,放入37℃培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng)。待細(xì)胞生長(zhǎng)融合至80%以上時(shí)傳代,第3 代以后細(xì)胞用于后續(xù)實(shí)驗(yàn)。采用流式細(xì)胞術(shù)檢測(cè)第3 代HUVECs 表面標(biāo)志物CD31和CD45的陽性表達(dá)百分比。
2.2 hUCMSCs 的分離、培養(yǎng)與鑒定 參考文獻(xiàn)方法[7],采用組織塊法從臍帶分離hUCMSCs,細(xì)胞培養(yǎng)至第3 代以后用于后續(xù)實(shí)驗(yàn)。采用流式細(xì)胞術(shù)檢測(cè)第 3 代 hUCMSCs 表面標(biāo)志物 CD29、CD44、CD90、CD105、CD31、CD34、CD45 和HLA-DR 的陽性表達(dá)百分比。
2.3 多向分化檢測(cè) 取第5 代hUCMSCs 接種于12孔板中,待細(xì)胞生長(zhǎng)融合達(dá)到80%時(shí),棄去培養(yǎng)基,分別更換為成脂、成骨和成軟骨誘導(dǎo)分化液,每3 d換分化液1 次。誘導(dǎo)4 周后,4%多聚甲醛室溫固定30 min,再分別用油紅O 染液、茜素紅S 染液和甲苯胺藍(lán)染液染色30 min,顯微鏡下觀察拍照。
2.4 低氧預(yù)處理 FBS 在4℃、12 0000×g超速離心12 h,收集上清,用0.22μm濾器過濾,即可得到無菌的無外泌體血清,用于后續(xù)實(shí)驗(yàn)。hUCMSCs 分為低氧(hypoxia,Hypo)組(1%O2)和常氧(normoxia,Nor)組(21%O2)。接種hUCMSCs 到96 孔板,待細(xì)胞生長(zhǎng)融合達(dá)到80% 時(shí),更換含5% 無外泌體血清的DMEM/F12 培養(yǎng)基,放入低氧或常氧培養(yǎng)箱中培養(yǎng)12、24、36和48 h。每孔加入10 μL CCK-8溶液,置于37℃培養(yǎng)箱內(nèi)孵育3h,酶標(biāo)儀檢測(cè)450 nm處吸光度。
2.5 外泌體分離、鑒定與共培養(yǎng) 接種hUCMSCs到100 mm 培養(yǎng)皿,待細(xì)胞生長(zhǎng)融合達(dá)到80%時(shí),更換含5%無外泌體血清的DMEM/F12 培養(yǎng)基,放入低氧或常氧培養(yǎng)箱中培養(yǎng)36 h。收集培養(yǎng)基上清液,超速離心法提取外泌體。采用透射電鏡觀察外泌體的形態(tài);采用納米顆粒跟蹤分析技術(shù)(nanoparticle tracking analysis,NTA)檢測(cè)外泌體的粒徑及濃度;采用Western blot 檢測(cè)外泌體表面標(biāo)志性蛋白Alix、CD63 和CD9,以及細(xì)胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)標(biāo)志性蛋白calnexin的表達(dá)。PKH26 標(biāo)記外泌體后與HUVECs 共培養(yǎng),熒光顯微鏡下觀察外泌體與HUVECs的融合情況。
2.6 EdU實(shí)驗(yàn)檢測(cè)細(xì)胞增殖能力 HUVECs分為對(duì)照(control,Con)組、常氧外泌體(normoxic exosome,ExoNor)組和低氧外泌體(hypoxic exosome,ExoHypo)組。配制含2×1012particles/L 常氧或低氧外泌體和5%無外泌體血清的EBM-2 培養(yǎng)基。接種HUVECs 至96孔板,待細(xì)胞生長(zhǎng)融合達(dá)到80%時(shí),更換配制好的含外泌體培養(yǎng)基孵育12 h。配制含50 μmol/L EdU 的培養(yǎng)基,繼續(xù)孵育2 h。用4%多聚甲醛固定細(xì)胞和0.5%Triton X-100通透細(xì)胞后,加入Apollo染色液避光室溫孵育。最后用DAPI 工作液對(duì)細(xì)胞核進(jìn)行染色。熒光顯微鏡下觀察拍照。
2.7 細(xì)胞劃痕實(shí)驗(yàn) 接種HUVECs 到6 孔板,待細(xì)胞生長(zhǎng)融合達(dá)到90%時(shí),更換配制好的含外泌體培養(yǎng)基孵育細(xì)胞12 h。用200μL無菌槍頭在細(xì)胞表面垂直劃“十”字,PBS 洗滌脫落的細(xì)胞,更換為無血清EBM-2 培養(yǎng)基繼續(xù)培養(yǎng)24 h,顯微鏡下觀察拍照,使用ImageJ軟件對(duì)細(xì)胞遷移距離進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。
2.8 Transwell小室遷移實(shí)驗(yàn) 接種HUVECs 到6孔板,待細(xì)胞融合度達(dá)到80%時(shí),更換配制好的含外泌體培養(yǎng)基孵育細(xì)胞12 h。消化各孔細(xì)胞,離心后棄上清,用無血清EBM-2培養(yǎng)基重懸細(xì)胞,配制成細(xì)胞密度為4×108/L 的細(xì)胞懸液。將Transwell 小室放入24 孔板內(nèi),上室加入100μL 細(xì)胞懸液,下室加入700μL含5%FBS的EBM-2培養(yǎng)基,放入37℃培養(yǎng)箱內(nèi)繼續(xù)培養(yǎng)12 h。棄上室和下室培養(yǎng)基,4%多聚甲醛固定細(xì)胞后用1%結(jié)晶紫染液染色30 min。棄去染液,用PBS清洗小室3遍后置于倒置顯微鏡下觀察拍照,使用ImageJ軟件對(duì)遷移細(xì)胞數(shù)量進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)。
2.9 小管形成實(shí)驗(yàn) 將96 孔板放置在冰上,每孔加入40μL基質(zhì)膠,置于37℃培養(yǎng)箱內(nèi)1 h,待基質(zhì)膠凝固備用。接種HUVECs到6孔板,待細(xì)胞生長(zhǎng)融合達(dá)到80%時(shí),更換配制好的含外泌體培養(yǎng)基孵育細(xì)胞12 h。消化各組細(xì)胞,離心后棄上清,用無血清EBM-2 培養(yǎng)基重懸細(xì)胞,配制成細(xì)胞密度為4×108/L的細(xì)胞懸液。向鋪有基質(zhì)膠的96 孔板中加入100μL細(xì)胞懸液,置于37℃培養(yǎng)箱內(nèi)孵育8 h。倒置顯微鏡下觀察拍照,使用ImageJ 軟件對(duì)小管長(zhǎng)度進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)。
采用GraphPad Prism 7.0 統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析,數(shù)據(jù)均采用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(mean±SD)表示。兩組間比較采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)。多組間比較采用單因素方差分析(one-way AVOVA),組間兩兩比較采用Bon?ferroni 校正的t檢驗(yàn)。以P<0.05 為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
采用酶消化法獲得HUVECs,組織塊法得到hUCMSCs,倒置顯微鏡下觀察,第 3 代 HUVECs 呈鋪路石樣,第3 代hUCMSCs 呈長(zhǎng)梭形,見圖1A。流式細(xì)胞術(shù)檢測(cè)細(xì)胞表面標(biāo)志物,第3代HUVECs高表達(dá)CD31,陽性率均90%以上,而低表達(dá)CD45,見圖1B;第 3 代 hUCMSCs 高 表 達(dá) CD29、CD44、CD90 和CD105,陽性率均90%以上,而低表達(dá)CD31、CD34、CD45 和HLA-DR,見圖1C,均與文獻(xiàn)報(bào)道的內(nèi)皮細(xì)胞和間充質(zhì)干細(xì)胞標(biāo)準(zhǔn)相一致。多向分化結(jié)果顯示,第5代hUCMSCs具有成脂、成骨及成軟骨分化能力,見圖1D,符合間充質(zhì)干細(xì)胞的分化特性[8]。
hUCMSCs 在低氧(1% O2)和常氧(21% O2)培養(yǎng)箱中培養(yǎng) 12、24、36 和 48 h 后,采用 CCK-8 法檢測(cè)細(xì)胞活力,結(jié)果顯示,低氧組hUCMSCs 的活力明顯高于常氧組,且在36 h時(shí)細(xì)胞活力最好,見圖2。
超速離心法提取hUCMSCs 釋放的外泌體,利用NTA 檢測(cè)外泌體的粒徑和濃度,見圖3A。利用透射電鏡觀察外泌體的形態(tài),見圖3B。利用Western blot檢測(cè)外泌體表面標(biāo)志性蛋白Alix、CD9、CD63 以及細(xì)胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)標(biāo)志性蛋白calnexin 的表達(dá)[9],見圖3C。結(jié)果發(fā)現(xiàn)低氧預(yù)處理hUCMSCs 后其外泌體釋放明顯增加(P<0.05)。
外泌體與HUVECs 融合實(shí)驗(yàn)經(jīng)熒光顯微鏡觀察顯示,PKH26 標(biāo)記的外泌體顆粒可與HUVECs 相融合并進(jìn)入HUVECs內(nèi),聚集在核周,見圖4。
利用EdU 實(shí)驗(yàn)檢測(cè)經(jīng)外泌體處理后HUVECs 的增殖能力,結(jié)果顯示,Con 組、ExoNor組和 ExoHypo組EdU 陽性細(xì)胞率分別為(29.15±3.13)%、(32.12±3.17)%和(36.82±3.49)%;與 Con 組相比,ExoNor和ExoHypo組HUVECs的增殖能力明顯增強(qiáng)(P<0.05);與ExoNor組相比,ExoHypo組HUVEC 的增殖能力進(jìn)一步增強(qiáng)(P<0.05),見圖5。
Figure 1.Characterization of HUVECs and hUCMSCs.A:the morphologyical changes of P3 HUVECs and P3 hUCMSCs(scale bar=100μm);B:the surface marker determination of HUVECs;C:the surface marker determination of hUCMSCs;D:the dif?ferentiation potential of hUCMSCs(scale bar=100μm).圖1 HUVECs和hUCMSCs的鑒定
利用細(xì)胞劃痕和Transwell實(shí)驗(yàn)檢測(cè)經(jīng)外泌體處理后HUVECs 的遷移能力。劃痕24 h 后,Con 組、ExoNor組和ExoHypo組劃痕區(qū)遷移面積分別為(37.91±4.62)%、(51.67±4.17)%和(70.92±5.20)%;ExoNor和ExoHypo組HUVECs的遷移距離明顯大于Con組(P<0.05);與 ExoNor組相比,ExoHypo組 HUVECs 的遷移距離明顯增加(P<0.05),見圖6A。小室遷移12 h 后,Con 組 、ExoNor組 和 ExoHypo組 遷 移細(xì) 胞 數(shù)分 別 為178.80±8.01、203.20±5.59 和 225.80±8.61;與 Con組相比,ExoNor和ExoHypo組遷移到下室的細(xì)胞數(shù)明顯增多(P<0.05);ExoHypo組遷移細(xì)胞增多比ExoNor組更明顯(P<0.05),見圖6B。
孵育 8 h 后,Con 組、ExoNor組和 ExoHypo組成管總長(zhǎng) 度 分 別 為(7 214.57±642.89)px、(8 746.29±488.41)px 和(9 826.00±548.21)px;與 Con 組 相比,ExoNor和ExoHypo組外泌體都促進(jìn)HUVECs 的成管(P<0.05);ExoHypo組成管明顯多于ExoNor組(P<0.05),見圖7。
Figure 2.The effect of hypoxia(Hypo)pretreatment on the viability of hUCMSCs.The cell viability was determined by CCK-8 as?say.Mean±SD. n=3.*P<0.05 vs normoxia(Nor)group.圖2 低氧預(yù)處理增強(qiáng)hUCMSCs的活力
Figure 3.Characterization of exosomes derived from hUCMSCs under normoxic and hypoxic conditions.A:the exosomes released from hUCMSCs were quantified by nanoparticle tracking analysis;B:the morphological change of exosomes was assessed by transmission electron microscopy;C:the protein expression of Alix,CD63,CD9 and calnexin were determined by Western blot.Mean±SD. n=3.*P<0.05 vs normoxic exosome(ExoNor)group.圖3 低氧預(yù)處理促進(jìn)hUCMSCs的外泌體釋放
缺血性心臟病的病理特點(diǎn)是血管狹窄和堵塞,促血管新生對(duì)缺血性心臟病的預(yù)后和心功能的改善有重要作用。因此,尋找一種通過促進(jìn)血管新生修復(fù)損傷心肌,從而改善心功能的方法成為冠心病治療新的研究方向[10]。本研究選取HUVECs 作為研究對(duì)象,采用酶消化法從臍帶獲取HUVECs,經(jīng)流式細(xì)胞術(shù)鑒定為內(nèi)皮細(xì)胞后,分別通過EdU、細(xì)胞劃痕、Transwell 和小管形成實(shí)驗(yàn)檢測(cè)內(nèi)皮細(xì)胞功能的變化,從而在體外開展促血管新生的研究。結(jié)果表明:(1)與常氧組相比,低氧預(yù)處理增強(qiáng)hUCMSCs 細(xì)胞活力,促進(jìn)其外泌體釋放;(2)與常氧外泌體組相比,低氧預(yù)處理hUCMSCs釋放的外泌體增強(qiáng)HUVECs的增殖、遷移和小管形成能力。
越來越多研究證實(shí)了MSCs 治療缺血性心臟病的潛力。MSCs 最先從骨髓中被鑒定和分離出來,并成為了組織工程和再生治療的有力工具。雖然骨髓是MSCs最常見和最具特征的來源,但是從骨髓中分離MSCs的過程復(fù)雜且具有創(chuàng)傷性。長(zhǎng)期以來,臍帶一直被認(rèn)為是一種醫(yī)療廢物,但近年來臍帶卻成為MSCs 的重要來源。相比骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞,臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞具有許多優(yōu)點(diǎn),包括無創(chuàng)傷獲取、低免疫原性和易于體外擴(kuò)增。但是目前臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞對(duì)心肌缺血后血管新生的作用尚不清楚[11-12]。因此,本研究通過組織塊法從臍帶中分離得到hUCMSCs,通過細(xì)胞表面特異性抗原和分化潛能檢測(cè),鑒定所獲取細(xì)胞為間充質(zhì)干細(xì)胞,傳代純化后用于后續(xù)間充質(zhì)干細(xì)胞對(duì)血管新生作用的研究。
Figure 4.Uptake of hUCMSCs-derived exosomes by HUVECs.The PKH26-labeled hUCMSCs-derived exosomes were internalized by HUVECs.圖4 hUCMSCs來源外泌體被HUVECs內(nèi)化
Figure 5.The proliferation of HUVECs after treatment with exosomes released from hUCMSCs was determined by EdU assay.The scale bar=50 μm.Mean±SD. n=3.*P<0.05 vs control(Con)group;#P<0.05 vs ExoNor group.圖5 hUCMSCs外泌體對(duì)HUVECs增殖的影響
間充質(zhì)干細(xì)胞是一類具有多向分化潛能的干細(xì)胞,當(dāng)被移植到缺血心臟時(shí),能夠分化為血管內(nèi)皮細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞,甚至心肌樣細(xì)胞,有益于心臟組織的修復(fù)和再生。然而,干細(xì)胞移植治療缺血性心臟病存在移植細(xì)胞存活率低和栓塞的風(fēng)險(xiǎn)[13]。據(jù)報(bào)道,干細(xì)胞除了通過分化潛能發(fā)揮治療作用外,還可通過旁分泌作用,釋放包括外泌體在內(nèi)的多種旁分泌因子。作為生物分子的天然載體,外泌體可通過攜帶功能性蛋白質(zhì)和RNA 等重要活性分子并將其轉(zhuǎn)運(yùn)至靶細(xì)胞,在細(xì)胞間信號(hào)的傳輸和交換發(fā)揮著重要作用。抑制細(xì)胞外泌體釋放,會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞的內(nèi)外環(huán)境紊亂,進(jìn)而影響細(xì)胞的生理功能[14]。我們之前的研究證實(shí),脂多糖預(yù)刺激骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞釋放的外泌體可以減輕炎癥和心肌損傷[15]。Ma 等[16]在小鼠心肌缺血模型與體外研究中發(fā)現(xiàn),骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞釋放的外泌體可通過傳遞miR-132 促進(jìn)心肌梗死后梗死周圍區(qū)的血管形成,改善心功能。該研究表明了干細(xì)胞來源的外泌體具有與干細(xì)胞相似生物學(xué)效應(yīng),對(duì)缺血性疾病具有治療效果。此外,外泌體提取方法完善,易于儲(chǔ)存,生物學(xué)功能穩(wěn)定,是干細(xì)胞治療的理想替代品。因此,干細(xì)胞來源外泌體為缺血性疾病的治療提供了新的方向[17]。本研究通過超速離心法分離出hUCMSCs 外泌體,并在透射電鏡下觀察其形態(tài),NTA 檢測(cè)其粒徑和濃度,West?ern blot檢測(cè)其表面特異性的標(biāo)志蛋白。結(jié)果均與外泌體的生物學(xué)特性相符。
Figure 6.The migration ability of HUVECs after treatment with exosomes released from hUCMSCs.A:the results of scratch wound assay(scale bar=50μm);B:the results of Transwell migration assay(crystal violet staining,scale bar=100 μm).Mean±SD. n=3.*P<0.05 vs Con group;#P<0.05 vs ExoNor group.圖6 hUCMSCs外泌體對(duì)HUVECs遷移的影響
Figure 7.The tube formation of HUVECs after treatment with exosomes released from hUCMSCs.The Matrigel tube formation analy?sis of HUVECs was performed.The scale bar=100 μm.Mean±SD. n=3.*P<0.05 vs Con group;#P<0.05 vs ExoNorgroup.圖7 hUCMSCs外泌體對(duì)HUVEC小管形成的影響
最近一項(xiàng)研究表明,間充質(zhì)干細(xì)胞在模擬外周動(dòng)脈疾病的缺氧微環(huán)境(0% FBS 和1% O2)中培養(yǎng)后,其分泌的外泌體含有一系列促血管生成的因子,對(duì)心肌梗死后心臟功能的恢復(fù)有益[18]。該研究證明,細(xì)胞隨著所處微環(huán)境的不同,其分泌外泌體的數(shù)量和攜帶的內(nèi)容物會(huì)隨之發(fā)生改變,從而表現(xiàn)出不同的生物學(xué)效應(yīng)。為了探討低氧環(huán)境下,臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞來源的外泌體對(duì)內(nèi)皮細(xì)胞功能的影響,我們 分 別 采 用 常 氧(21% O2)和 低 氧(1% O2)對(duì)hUCMSCs 進(jìn)行預(yù)處理,比較其來源外泌體對(duì)HUVECs 增殖、遷移和小管形成的影響。結(jié)果顯示,hUCMSCs 經(jīng)過低氧預(yù)處理后其細(xì)胞活力明顯增強(qiáng);與常氧組相比,經(jīng)過低氧預(yù)處理的hUCMSCs 其釋放的外泌體對(duì)HUVECs 增殖、遷移和小管形成的促進(jìn)作用更為明顯。
綜上所述,本研究揭示了經(jīng)過低氧預(yù)處理的hUCMSCs 來源的外泌體,可能成為一種促血管新生從而治療心肌梗死等缺血性疾病的新策略。下一步我們將對(duì)包括miRNA 在內(nèi)的外泌體內(nèi)容物及相關(guān)保護(hù)機(jī)制作進(jìn)一步的研究,以期為干細(xì)胞外泌體治療缺血性心臟病提供新的理論依據(jù)。