[摘要] 牙源性間充質(zhì)干細(xì)胞(DMSCs) 是來(lái)源于神經(jīng)嵴外胚層的間充質(zhì)干細(xì)胞,具有優(yōu)越的自我更新和多向分化的能力,被廣泛應(yīng)用于組織工程和再生醫(yī)學(xué)研究。利用三維培養(yǎng)方法可對(duì)DMSCs進(jìn)行大量體外擴(kuò)增以滿(mǎn)足研究和治療的需要。與傳統(tǒng)的二維培養(yǎng)方法比較,三維培養(yǎng)技術(shù)可更有效地模擬干細(xì)胞在體內(nèi)所處的結(jié)構(gòu)和微環(huán)境,從時(shí)間和空間上共同調(diào)控干細(xì)胞的增殖及分化。近年來(lái)開(kāi)展的體外三維培養(yǎng)方法較多,懸滴培養(yǎng)法操作簡(jiǎn)單,但較難控制培養(yǎng)組織的氣象環(huán)境;微流控芯片可更好地控制細(xì)胞參數(shù),但成本高昂,且存在技術(shù)平臺(tái)的難題而難以廣泛應(yīng)用;磁懸浮培養(yǎng)費(fèi)用低廉,操作簡(jiǎn)便,細(xì)胞成球速度快,但由于磁化作用難以用來(lái)定量分析。其他三維培養(yǎng)方法還包括旋轉(zhuǎn)細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)、離心成球培養(yǎng)法、液體覆蓋法和人工支架法等,上述培養(yǎng)方法都存在不同的優(yōu)勢(shì)和一定的局限性?,F(xiàn)對(duì)體外三維培養(yǎng)DMSCs 的不同方法及其在不同組織再生和疾病治療中的應(yīng)用進(jìn)行綜述,為DMSCs 功能的精準(zhǔn)調(diào)控和再生醫(yī)學(xué)研究提供參考。
[關(guān)鍵詞] 牙源性間充質(zhì)干細(xì)胞; 球體培養(yǎng); 干性維持; 組織工程; 再生醫(yī)學(xué)
[中圖分類(lèi)號(hào)] R780. 2 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A
牙源性間充質(zhì)干細(xì)胞(dental mesenchymalstem cells, DMSCs) 包括牙髓干細(xì)胞(dentalpulp stem cells, DPSCs)、牙齦干細(xì)胞(gingivalfibroblastic stem cells, GFSCs)、牙周膜干細(xì)胞(periodontal ligament stem cells, PDLSCs)、乳牙干細(xì)胞(stem cells from human exfoliated teeth,SHED)、牙囊干細(xì)胞(dental follicular stem cells,DFSCs) 和牙乳頭干細(xì)胞(stem cells from apicalpapilla, SCAP) 等。DMSCs 具有多向分化潛能,且容易獲得,免疫原性低,這些特性使得DMSCs成為再生醫(yī)學(xué)重要的種子細(xì)胞,為多種組織相關(guān)疾病的治療提供可能。將組織內(nèi)提取的DMSCs 在體外進(jìn)行大量擴(kuò)增,獲取足夠的種子細(xì)胞,這對(duì)再生醫(yī)學(xué)的研究至關(guān)重要。傳統(tǒng)的二維細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù),往往缺乏組織特異性結(jié)構(gòu),難以模擬體內(nèi)生物學(xué)行為和細(xì)胞之間的相互作用。與二維培養(yǎng)方法比較,最新的三維球體培養(yǎng)方法可以更好地模擬干細(xì)胞在體內(nèi)所處的結(jié)構(gòu)與環(huán)境,且能夠增加細(xì)胞間和細(xì)胞與細(xì)胞外基質(zhì)(extracellular matrix, ECM) 間的相互作用,使干細(xì)胞可以更好地維持干性并發(fā)揮更大的分化潛能。
目前綜述類(lèi)報(bào)道[1-2] 中關(guān)于不同細(xì)胞三維培養(yǎng)的方法及其優(yōu)缺點(diǎn),多針對(duì)其他組織來(lái)源的干細(xì)胞或腫瘤細(xì)胞,未見(jiàn)針對(duì)DMSCs 不同培養(yǎng)方法及應(yīng)用的報(bào)道。本文作者特異性針對(duì)DMSCs,系統(tǒng)分析并總結(jié)了近年來(lái)DMSCs 不同三維培養(yǎng)的方法及其優(yōu)缺點(diǎn)以及其在組織再生和疾病治療中的作用,為進(jìn)一步深入研究并探索不同培養(yǎng)方法對(duì)DMSCs在組織再生和疾病治療中的應(yīng)用提供參考。
1 DMSCs 的三維培養(yǎng)方法
1. 1 懸滴培養(yǎng)法
三維培養(yǎng)方法中的懸滴培養(yǎng)法是由HARRION 等創(chuàng)立的一種培養(yǎng)組織和器官的方法[3],利用載有細(xì)胞懸滴培養(yǎng)液的表面張力來(lái)形成無(wú)骨架的三維細(xì)胞球體[4-5]。
與其他三維培養(yǎng)方法比較,懸滴培養(yǎng)法操作簡(jiǎn)單,有利于細(xì)胞間緊密聚合,使細(xì)胞間以及細(xì)胞與細(xì)胞基質(zhì)間的相互作用增強(qiáng),提高了DMSCs 的分化潛能[6-7]。在音猬因子(sonic hedgehog, SHH)誘導(dǎo)下, DPSCs 可分化成神經(jīng)細(xì)胞用于神經(jīng)退行性疾病的治療[7]。研究[6,8] 表明:利用懸滴培養(yǎng)法培養(yǎng)的DPSCs 和PDLSCs 分化能力及礦化能力較應(yīng)用二維貼壁培養(yǎng)法培養(yǎng)的細(xì)胞更強(qiáng)。MORITANI 等[9] 基于懸滴培養(yǎng)法設(shè)計(jì)了微孔芯片用來(lái)培養(yǎng)人牙周韌帶間充質(zhì)干細(xì)胞(humanperiodontal ligament mesenchymal stromal cells,hPDLMSCs),發(fā)現(xiàn)所培養(yǎng)的細(xì)胞與調(diào)節(jié)干性相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子和mRNA 表達(dá)水平均較單層hPDLMSCs 升高,且礦化結(jié)節(jié)明顯增多。
采用懸滴培養(yǎng)法培養(yǎng)細(xì)胞也存在一些不足,如培養(yǎng)所需的氣象環(huán)境較難控制, 細(xì)胞懸滴易被污染,不易懸掛等。針對(duì)懸滴培養(yǎng)法應(yīng)用過(guò)程中氣象環(huán)境較難控制的缺點(diǎn), 李秀群等[3] 改良了Maximow 雙蓋片法,即在瓶底加入一定量的Hanks緩沖液,利用碳酸氫鈉和水的作用釋放二氧化碳,利用水分蒸發(fā)調(diào)節(jié)相對(duì)濕度,進(jìn)而創(chuàng)造出適宜的氣象環(huán)境。針對(duì)細(xì)胞懸滴培養(yǎng)液不易懸掛的問(wèn)題,液滴體積應(yīng)限制在50 μL 以下以保證重力和表面張力達(dá)到平衡而形成懸滴[10]。
除此之外,懸滴培養(yǎng)法培養(yǎng)的細(xì)胞聚合物容易由于營(yíng)養(yǎng)物和氧氣的缺乏導(dǎo)致中心壞死,控制細(xì)胞接種數(shù)在合適的范圍內(nèi)可避免這種情況的發(fā)生[8]。懸滴培養(yǎng)法可與芯片技術(shù)結(jié)合,如微流體懸滴芯片和超疏水芯片,通過(guò)裝置泵不斷更新培養(yǎng)基,補(bǔ)充消耗掉的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和氧氣,以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期培養(yǎng)[10-11]。
1. 2 微流控芯片
微流控芯片是一種由微米級(jí)的培養(yǎng)室、通道和微泵等功能元件構(gòu)成的由微流體控制的裝置。這種裝置可實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞、組織和化學(xué)試劑等進(jìn)行制備、反應(yīng)、分離及檢測(cè)等操作[12-13],主要由水油兩相的兩根微米級(jí)通道組成,由于水油不相容,持續(xù)流動(dòng)的含細(xì)胞的水相液體在油相液體中會(huì)形成水相多細(xì)胞球[14]。
微流控芯片具有以下特點(diǎn):①可以通過(guò)改變動(dòng)態(tài)參數(shù)來(lái)調(diào)控微米級(jí)通道中細(xì)胞的流動(dòng),模擬特定的環(huán)境以滿(mǎn)足多細(xì)胞球體的培養(yǎng)需求[15]; ②可以控制多細(xì)胞球體的體積,控制剪切應(yīng)力以減小細(xì)胞損傷,降低試劑損耗;③可以在相對(duì)空間和時(shí)間尺度對(duì)細(xì)胞的微環(huán)境進(jìn)行干預(yù)調(diào)節(jié),精確控制物質(zhì)濃度、溶液溫度和pH 值等,更精確地模擬干細(xì)胞在體內(nèi)的復(fù)雜環(huán)境,在疾病發(fā)病機(jī)制研究和藥物篩選等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。
近年來(lái),微流控芯片被廣泛應(yīng)用于DMSCs 的研究中。微流控芯片可用于監(jiān)測(cè)DMSCs 的細(xì)胞遷移[13], RUFAS 等[16] 采用微流控芯片技術(shù)觀察細(xì)胞在補(bǔ)體C3a 梯度下的遷移情況,結(jié)果顯示:牙髓損傷后, 補(bǔ)體C3a 能夠募集DPSCs 和牙髓成纖維細(xì)胞(dental pulp fibroblasts,DPFs)。微流控芯片可通過(guò)添加物理和化學(xué)刺激因素來(lái)研究牙源性細(xì)胞的生理及病理活動(dòng),如采用該技術(shù)評(píng)估氟化二胺銀(silver diammine fluoride, SDF) 對(duì)DPSCs 的毒性潛力[17], 探討根尖SCAP 對(duì)微流體中牙科材料的反應(yīng)[18]。研究者[19] 利用微流控芯片技術(shù)將DPSCs固定在具有生物相容性材料的微膠囊中,為細(xì)胞提供三維細(xì)胞外基質(zhì)環(huán)境, 通過(guò)更好地控制細(xì)胞參數(shù),使細(xì)胞保持增殖和神經(jīng)元分化的潛能。
微流控芯片技術(shù)也存在一些不足,如生產(chǎn)成本高昂、制備難度大、核心技術(shù)缺乏規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)化以及相關(guān)人才嚴(yán)重不足,因此很難廣泛應(yīng)用。
1. 3 磁懸浮培養(yǎng)法
磁懸浮培養(yǎng)法是細(xì)胞在磁懸浮系統(tǒng)中與磁顆粒結(jié)合,受磁力作用而保持懸浮狀態(tài)的一種三維培養(yǎng)技術(shù),通過(guò)對(duì)磁場(chǎng)的空間控制,可以控制細(xì)胞團(tuán)的幾何形狀,使細(xì)胞間接觸、凝集而形成細(xì)胞球體[20-21]。磁懸浮培養(yǎng)法由SOUZA 等[21]于2010 年開(kāi)創(chuàng), 使細(xì)胞攝取由噬菌體顆粒、磁性氧化鐵和金納米顆粒組成的生物無(wú)機(jī)水凝膠,隨后進(jìn)行磁懸浮。在此基礎(chǔ)上,有研究者[21] 提出用金、氧化鐵和聚-l-賴(lài)氨酸納米顆粒構(gòu)成的磁性納米顆粒以靜電及非特異性結(jié)合的方式結(jié)合到細(xì)胞膜上以磁化細(xì)胞。
磁懸浮培養(yǎng)法具有費(fèi)用低廉,操作簡(jiǎn)便,生物兼容性好[20],且磁懸浮培養(yǎng)法培養(yǎng)的細(xì)胞活力強(qiáng),球體核心的壞死少等優(yōu)勢(shì)[22]。與常規(guī)三維培養(yǎng)技術(shù)相比,磁懸浮培養(yǎng)法培養(yǎng)的細(xì)胞球體成形更快,可以形成緊密連接并可自行分泌內(nèi)源性ECM [23-24],因此無(wú)需使用人工基質(zhì)或?qū)S媒橘|(zhì),獲得的球體可以長(zhǎng)期培養(yǎng)。CHAN 等[25] 利用磁懸浮培養(yǎng)人DPSCs (human DPSCs, hDPSCs), 結(jié)果表明:磁懸浮培養(yǎng)法可快速形成球體,且結(jié)構(gòu)牢固,不損傷細(xì)胞, 提高了hDPSCs 用于再生醫(yī)學(xué)的治療效率。磁懸浮培養(yǎng)法的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是可以通過(guò)操縱磁場(chǎng)的強(qiáng)度從而改變細(xì)胞培養(yǎng)物的形狀,在組成細(xì)胞球體之后,即使去除磁場(chǎng),細(xì)胞球體的完整性仍然保持 [26]。與其他無(wú)磁性培養(yǎng)物比較,磁性三維培養(yǎng)物結(jié)構(gòu)更加緊湊, 具有更多的脂滴和細(xì)胞外囊泡,培養(yǎng)的細(xì)胞分化能力更強(qiáng) [27]。同時(shí),磁懸浮培養(yǎng)法培養(yǎng)的球體多系譜分化能力、表面標(biāo)志物和胞外基質(zhì)表達(dá)及成骨和血管生成蛋白均高于二維細(xì)胞以及三維聚集體。磁懸浮培養(yǎng)法還可以明顯激活絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated proteinkinase, MAPK) 和核因子κB (nuclear factorkappa B, NF-κB) 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路, 改善三維培養(yǎng)的細(xì)胞凋亡效應(yīng) [22]。
磁懸浮培養(yǎng)法也存在劣勢(shì):①可能會(huì)由于磁體的不均勻磁化、單元大小和聚集程度等因素,使測(cè)量區(qū)域定義不明確,從而使定量分析受到影響[27];②高磁引力條件會(huì)使人間充質(zhì)干細(xì)胞呈現(xiàn)典型凋亡特征[28]。
1. 4 旋 轉(zhuǎn) 細(xì) 胞 培 養(yǎng) 系 統(tǒng)(rotary cell culturesystem, RCCS)
RCCS 又稱(chēng)轉(zhuǎn)壁式生物反應(yīng)器,是一種應(yīng)用微載體技術(shù),通過(guò)模擬微重力環(huán)境使細(xì)胞、組織和培養(yǎng)液處于類(lèi)似自由落體的狀態(tài)下旋轉(zhuǎn),產(chǎn)生貼壁和懸浮的三維球體細(xì)胞,繼而進(jìn)行細(xì)胞大規(guī)模擴(kuò)增的三維體外細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)[29-30]。
RCCS 的微重力環(huán)境和低剪切應(yīng)力有利于細(xì)胞的增殖及誘導(dǎo)分化[31]。王田田等[32] 研究顯示:與普通重力培養(yǎng)的細(xì)胞比較,模擬微重力環(huán)境培養(yǎng)的hDPSCs 的體內(nèi)增殖能力更強(qiáng)。侯延華[33] 研究表明:應(yīng)用微載體與RCCS 相結(jié)合的三維球體培養(yǎng)法在體外培養(yǎng)DPSCs, 較普通二維培養(yǎng)在生長(zhǎng)曲線(xiàn)圖上有顯著的差異,可延長(zhǎng)細(xì)胞的對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期,快速得到大量擴(kuò)增的DPSCs。RCCS 模擬的微重力環(huán)境可以促進(jìn)間充質(zhì)干細(xì)胞的神經(jīng)向分化,適合神經(jīng)細(xì)胞的培養(yǎng)[34-35]。李石[36] 關(guān)于PDLSCs 的增殖分化能力影響的研究結(jié)果顯示:采用RCCS 培養(yǎng)出的細(xì)胞最顯著的優(yōu)點(diǎn)是具有非常高的比表面積,其培養(yǎng)效率極高,培養(yǎng)出的細(xì)胞生命力旺盛,在骨誘導(dǎo)條件下,RCCS 所產(chǎn)生的微重力環(huán)境可以促進(jìn)細(xì)胞向成骨方向分化。LI 等[37] 研究表明:使用RCCS模擬微重力環(huán)境培養(yǎng)DPSCs 可以提高其增殖和牙源分化能力。
與細(xì)胞的靜態(tài)培養(yǎng)比較,RCCS 培養(yǎng)的細(xì)胞受到外界機(jī)械力小, 受到機(jī)械損傷少, 細(xì)胞自由度高,易形成三維球體[31]。在RCCS 生物反應(yīng)器中,細(xì)胞呈自由落體狀態(tài),轉(zhuǎn)動(dòng)和混合不受單個(gè)方向重力向量的影響,從而實(shí)現(xiàn)細(xì)胞向各個(gè)方向生長(zhǎng)[30]。且由于處于微重力環(huán)境下,細(xì)胞內(nèi)部微管的聚合、解聚受影響, 細(xì)胞內(nèi)部壓力小, 分子發(fā)生相應(yīng)改變, 因此細(xì)胞能夠維持良好的形態(tài)[31]。同時(shí), 細(xì)胞額外受到了血液流動(dòng)產(chǎn)生的剪切力,具有應(yīng)力纖維,延緩細(xì)胞的增殖速度,細(xì)胞不易快速衰老,可以更好地參與后續(xù)實(shí)驗(yàn)[38]。
RCCS 存在的不足之處:①RCCS 儀器的使用成本較高, 儀器使用和消毒方法較為繁瑣[30];②根據(jù)RCCS 原理,旋轉(zhuǎn)半徑會(huì)受到限制,在一定程度影響其培養(yǎng)規(guī)模[36]。
1. 5 離心成球培養(yǎng)法
離心成球培養(yǎng)法是通過(guò)離心增加細(xì)胞間黏附,隨后將細(xì)胞沉淀重懸于細(xì)胞培養(yǎng)基中,再將細(xì)胞分配至具有細(xì)胞排斥表面的96 孔細(xì)胞培養(yǎng)板上獲得三維球體細(xì)胞團(tuán)[39]。
離心成球培養(yǎng)法可以模擬細(xì)胞在體內(nèi)的發(fā)育過(guò)程, 增加細(xì)胞間以及細(xì)胞與ECM 的相互聯(lián)系[40]。在細(xì)胞聚集成球的過(guò)程中,該培養(yǎng)法使用的是非蛋白質(zhì)水溶性基質(zhì), 因此可以快速地分離細(xì)胞球體[39]。與單層細(xì)胞培養(yǎng)比較, 通過(guò)離心成球培養(yǎng)法構(gòu)建的大鼠DPSCs 的體外三維培養(yǎng)模型的細(xì)胞增殖能力無(wú)明顯變化, 但細(xì)胞中堿性磷酸酶(alkaline phosphatase, ALP) 活性明顯升高[41]。ALP 可能通過(guò)調(diào)節(jié)膠原合成, 促進(jìn)牙本質(zhì)的高度礦化, 可應(yīng)用于齲病和牙髓病的治療。FERRé 等[42] 研究表明:利用離心成球培養(yǎng)法培養(yǎng)的人牙齦干細(xì)胞(human gingival stem cells,HGSCs) 具有分化為成骨細(xì)胞、軟骨細(xì)胞和滑膜細(xì)胞譜系的能力,因此HGSCs 應(yīng)用于牙周病和骨質(zhì)疏松等疾病治療的研究。
離心成球培養(yǎng)法的優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單、可控性強(qiáng)、效益高、成本低,對(duì)于少量細(xì)胞的培養(yǎng)制備速度較快[43]。該方法的不足之處: 離心分離獲得的細(xì)胞團(tuán)密度過(guò)高,缺乏營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和代謝產(chǎn)物的運(yùn)輸通道,物質(zhì)交換困難,導(dǎo)致中心壞死或凋亡[10, 44-45]。因此這種方法培養(yǎng)的細(xì)胞體積受限,培養(yǎng)周期和藥物處置時(shí)間需要控制[10]。
1. 6 液體覆蓋法
液體覆蓋法主要原理是利用非貼壁培養(yǎng)板來(lái)抑制細(xì)胞與培養(yǎng)板間的低黏性表面吸附,使得細(xì)胞與細(xì)胞之間開(kāi)始相互吸引,自發(fā)地聚集形成細(xì)胞球體[46]。低黏性表面可由瓊脂、瓊脂糖凝膠或聚甲基丙烯酸甲酯制成,這些材料制成的培養(yǎng)層可有效抑制其對(duì)細(xì)胞的吸附[46-47]。
液體覆蓋法操作簡(jiǎn)單,成本較低,不需要專(zhuān)用設(shè)備;細(xì)胞受到的剪切應(yīng)力低,培養(yǎng)過(guò)程中容易接觸細(xì)胞球, 還可以長(zhǎng)期大規(guī)模地獲取球體細(xì)胞[47-48]。然而,這種方法也存在以下弊端:①液體覆蓋法屬于靜態(tài)培養(yǎng)法,即培養(yǎng)基內(nèi)物質(zhì)均處于靜止?fàn)顟B(tài), 代謝產(chǎn)物會(huì)隨著培養(yǎng)進(jìn)程的發(fā)展不斷堆積, 可能會(huì)影響細(xì)胞的正常生理活動(dòng)[49]; ②在非貼壁培養(yǎng)板的低吸附表面上,細(xì)胞球體的生長(zhǎng)狀態(tài)易受影響,可重復(fù)性低[48]。
1. 7 人工支架法
常規(guī)細(xì)胞體外培養(yǎng)多缺乏ECM成分,這可能不利于細(xì)胞的存活和增殖,特別對(duì)于干細(xì)胞的培養(yǎng)造成較大的影響。人工支架法可通過(guò)模擬天然的ECM 來(lái)改善細(xì)胞的增殖活性[50]。人工支架法通過(guò)將細(xì)胞接種在人工基質(zhì)構(gòu)成的支架對(duì)細(xì)胞進(jìn)行三維培養(yǎng),細(xì)胞附著于支架后逐漸遷移至支架內(nèi)部,并在支架的間隙中形成細(xì)胞球體[48]。
水凝膠是一種常見(jiàn)的用于模擬ECM 的生物材料,具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和良好的生物相容性,可為細(xì)胞黏附、生長(zhǎng)和遷移提供支持 [10,51]。通過(guò)調(diào)整水凝膠的物理特性,或根據(jù)研究目的引入不同功能的官能團(tuán),可創(chuàng)造出穩(wěn)定且適合特定細(xì)胞生長(zhǎng)分化的微環(huán)境[52]。天然水凝膠(膠原蛋白) 具有支撐細(xì)胞的作用, 為細(xì)胞間物質(zhì)交換提供了良好的空間,且具有可降解和低毒性等優(yōu)點(diǎn)。研究[53] 表明:膠原蛋白,尤其是Ⅰ型膠原蛋白能較好地促進(jìn)牙髓干細(xì)胞的增殖和礦化。肽段水凝膠材料,即一種含有肽鍵的高分子水凝膠材料,也是現(xiàn)階段廣泛應(yīng)用的支架材料[51]。
FUKUSHIMA 等[54] 研究發(fā)現(xiàn):用水凝膠支架培養(yǎng)的DPSCs 都能夠形成與牙髓相似的結(jié)締組織。納米纖維素-殼聚糖熱敏水凝膠培養(yǎng)的hDPSCs 可用于微創(chuàng)軟骨再生[55]??愋赖龋?1] 研究表明:凝膠樣支架常被用于牙髓組織再生。黃健萍等[56] 研究結(jié)果顯示: 由鈣黏蛋白多肽修飾的透明質(zhì)酸(hyaluronic acid, HA) 水凝膠可作為牙髓間充質(zhì)干細(xì)胞分化的理想支架,有助于牙髓-牙本質(zhì)的再生。 李鑫平制備的改性后的 β - 磷酸三鈣(β-tricalcium phosphate,β-TCP) /殼聚糖水凝膠可促進(jìn)DPSCs 的早期黏附、增殖和成骨分化[57]。
但人工支架法的缺陷在于:①膠原和水凝膠支架法穩(wěn)定性較差,且支架的引入可能會(huì)改變細(xì)胞的微環(huán)境,干擾細(xì)胞與基質(zhì)間的相互作用,并產(chǎn)生有毒小分子[52]。若支架含有動(dòng)物源成分, 可能干擾研究結(jié)果[48];②支架材料的濃度控制是一大難點(diǎn),支架材料濃度較高時(shí), 材料流動(dòng)性下降, 常會(huì)形成氣泡影響后續(xù)的細(xì)胞實(shí)驗(yàn); 支架材料濃度較低時(shí), 材料的彈性受到影響, 進(jìn)而抑制牙髓-牙本質(zhì)復(fù)合體的發(fā)生[51]。③支架外形較為固定, 導(dǎo)致可重復(fù)性低;且細(xì)胞僅黏附于支架的表面,細(xì)胞培養(yǎng)效率較低,不能形成理想的細(xì)胞分布形式[58]。
2 DMSCs 三維培養(yǎng)的應(yīng)用
DMSCs 具有多向分化潛能, 在適當(dāng)條件下可以分化為牙組織細(xì)胞、神經(jīng)細(xì)胞、成骨細(xì)胞、成軟骨細(xì)胞和血管內(nèi)皮細(xì)胞等。三維培養(yǎng)方法可以誘導(dǎo)其定向分化為多種需要的組織細(xì)胞,可以增強(qiáng)干細(xì)胞因子分泌的功能,從而實(shí)現(xiàn)有效的干細(xì)胞治療的目的。
2. 1 牙體組織再生
根管治療目前雖廣泛應(yīng)用于齲病引起的牙髓受損或壞死的治療,但這種療法會(huì)導(dǎo)致牙齒活力喪失。而基于DMSCs 的牙髓組織工程利用適當(dāng)?shù)闹Ъ苋S細(xì)胞培養(yǎng)以修復(fù)牙髓,保持牙髓活力[59], 恢復(fù)其正常生理功能。研究[60] 顯示:將DPSCs 與人臍靜脈血管內(nèi)皮細(xì)胞聯(lián)合培養(yǎng),在三維培養(yǎng)皿中獲得微球體,再將微球體置于牙根片段內(nèi),將其植入免疫缺陷鼠背部皮下,4 周后可見(jiàn)血管和牙髓樣組織再生。研究[61] 表明: 將SHED 和生物支架(Puramatrix ? 或 rhCollagentype Ⅰ) 置入全長(zhǎng)根管后移植到裸鼠背部皮下后,SHED 可分化成具有分泌功能的成牙本質(zhì)細(xì)胞,并形成與正常牙髓的細(xì)胞、血管組分類(lèi)似的功能性牙髓以及管狀牙本質(zhì)。李欣悅等[62] 研究顯示:利用PDLSCs 進(jìn)行三維球體培養(yǎng),有骨組織和牙周膜類(lèi)似組織的結(jié)合體形成。研究者[63] 將支架法培養(yǎng)的DPSCs 進(jìn)行體內(nèi)種植, 出現(xiàn)了再生牙根, 再生牙根在6 個(gè)月后初步具備了牙齒的特征,包括牙本質(zhì)小管狀和功能性牙周韌帶狀結(jié)構(gòu)等。
目前利用DMSCs 可分化為牙本質(zhì)細(xì)胞、根尖細(xì)胞、神經(jīng)細(xì)胞以及血管內(nèi)皮細(xì)胞等特定細(xì)胞的能力,雖已實(shí)現(xiàn)牙髓-牙本質(zhì)再生,但僅局限于異位再生,尚未實(shí)現(xiàn)在口腔中的牙髓-牙本質(zhì)再生。
2. 2 骨和軟骨再生
骨組織異常常是因嚴(yán)重機(jī)械損傷、 炎癥、 先天疾病和腫瘤等導(dǎo)致的[61],DMSCs 具有向成骨細(xì)胞和成軟骨細(xì)胞分化的潛能,且不同來(lái)源的DMSCs 的各向分化能力有所差異[64],因此DMSCs 在骨組織再生領(lǐng)域的應(yīng)用前景非常廣闊。TATSUHIRO 等[65] 研究顯示: 由細(xì)胞、ECM 和鈣化基質(zhì)組成的hDPSC 構(gòu)建體可能成為骨再生無(wú)支架材料。JAHANBIN 等[66] 對(duì)SHED進(jìn)行成骨分化的定向誘導(dǎo),并與支架膠原蛋白基質(zhì)一并接種于鼠的上頜牙槽骨缺損處,可介導(dǎo)新骨形成,治療效果與自體髂骨移植類(lèi)似。KHAJEH 等[67]發(fā)現(xiàn)缺氧條件下DPSCs 的軟骨分化能力增強(qiáng)。KIM 等[68] 研究表明: 體外三維培養(yǎng)的人DSFCs(human DFSCs, hDFSCs) 球體可用作骨組織再生的自體干細(xì)胞。目前利用DMSCs 的三維培養(yǎng)已成為提高人工移植物骨再生潛力的重要因素[64]。
2. 3 神經(jīng)系統(tǒng)疾病治療
神經(jīng)系統(tǒng)疾病一般較為嚴(yán)重,主要由于神經(jīng)元細(xì)胞為非再生細(xì)胞。神經(jīng)系統(tǒng)的再生修復(fù)能力有限,藥物和手術(shù)等治療方式很難從根本上解決受損神經(jīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及功能重建問(wèn)題[61]。而DMSCs 不僅擁有強(qiáng)大的多向分化潛能,而且與神經(jīng)細(xì)胞均來(lái)源于神經(jīng)嵴外胚層,可用于神經(jīng)系統(tǒng)疾病的治療。研究[69] 發(fā)現(xiàn):SHED 可向神經(jīng)細(xì)胞系定向分化, SHED 誘導(dǎo)分化形成神經(jīng)球后, 經(jīng)進(jìn)一步誘導(dǎo)可形成多巴胺能神經(jīng)元。將SHED 植入損傷的鼠坐骨神經(jīng),可觀察到神經(jīng)纖維數(shù)量增加[61] 。 ROOZAFZOON 等[69] 成功將DPSCs 在三維球體培養(yǎng)系統(tǒng)中分化出視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)樣細(xì)胞,提示其可用于青光眼等神經(jīng)退行性疾病的治療。
2. 4 免疫系統(tǒng)疾病的治療
在我國(guó),牙周病的患病率高于齲病, 隨著對(duì)牙周病發(fā)病機(jī)制的深入研究,目前認(rèn)為牙周病的罹患多由宿主的免疫應(yīng)答引起,而非感染的微生物直接引起[70]。王松靈[71] 通過(guò)對(duì)生理以及炎癥狀態(tài)下的DMSCs 免疫學(xué)特性的研究發(fā)現(xiàn),生理狀態(tài)下DMSCs 具有良好的免疫調(diào)節(jié)能力。羅傲翔等[70] 研究顯示:通過(guò)三維培養(yǎng)的PDLSCs 能提高其抗炎特性, 降低宿主免疫應(yīng)答,緩解炎癥反應(yīng), 提示三維培養(yǎng)的PDLSCs 對(duì)牙周炎的治療有一定的應(yīng)用前景。綜上,DMSCs 在牙周炎和自身免疫疾病的治療上具有很大的應(yīng)用潛力。
除了上述疾病的治療應(yīng)用, 利用三維培養(yǎng)的DMSCs 在角膜修復(fù)、肝炎治療、改善糖尿病患者臨床癥狀和肺損傷修復(fù)等領(lǐng)域也得到了不同程度的應(yīng)用[61]。
3 結(jié) 語(yǔ)
隨著組織工程和臨床治療技術(shù)的不斷發(fā)展,對(duì)DMSCs 的需求也在不斷增加。三維球體培養(yǎng)的DMSCs 自我更新能力強(qiáng),多向分化潛能大,在臨床疾病治療、組織再生和器官移植等方面具有良好的應(yīng)用前景。同時(shí),三維球體培養(yǎng)技術(shù)存在一定缺陷,主要是球體中心容易因代謝產(chǎn)物堆積、缺氧及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)缺乏而發(fā)生壞死。如何解決并消除這一弊端可作為DMSCs 三維球體培養(yǎng)技術(shù)后續(xù)的研究方向之一。
綜上所述,結(jié)合研究需要,選擇合適的方法培養(yǎng)DMSCs,通過(guò)不斷改善三維培養(yǎng)方法,以獲得更好的研究效果,并為進(jìn)一步應(yīng)用于臨床治療奠定基礎(chǔ)。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)DMSCs 在骨分化、軟骨分化和神經(jīng)分化等方面具有巨大分化潛能,后續(xù)研究可以繼續(xù)向其他分化方向進(jìn)行探索。此外,DMSCs已應(yīng)用于骨損傷治療等方面,但口腔治療領(lǐng)域的應(yīng)用研究依然較少,可以期待將具有多向分化能力的DMSCs 更多地應(yīng)用在口腔環(huán)境中的牙髓再生、牙本質(zhì)或牙釉質(zhì)修復(fù)等領(lǐng)域。
利益沖突聲明:所有作者聲明不存在利益沖突。
作者貢獻(xiàn)聲明:安政雯負(fù)責(zé)論文的整體設(shè)計(jì),李國(guó)鑫、趙小琳、李晨曦、劉影馳、朱芷墨和袁瑤負(fù)責(zé)文獻(xiàn)檢索及論文的撰寫(xiě)。
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[基金項(xiàng)目] 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(82270960);科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2022YFC2504200);吉林省科技廳科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(JCSZ2021893-35)
吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(醫(yī)學(xué)版)2024年2期