跟腱干细胞及骨髓间充质干细胞移植在大鼠跟腱再生中的研究

发布时间：2019-02-13 00:28

【摘要】：目的：肌腱是一类由平行排列的纤维胶原束构成的致密结缔组织,连接肌肉-骨,支持身体的运动。随着人们生活水平的提高,运动成为一种流行的、健康的生活方式,肌腱损伤的病例也迅速增多,其中,有35%属于跟腱断裂。肌腱损伤后,由于组织内血供较少,组成的成纤维细胞代谢较低,修复缓慢,且恢复到损伤前水平较难。目前,常见的肌腱损伤治疗方法可分为：保守治疗和手术治疗。保守治疗仅仅能缓解症状,且耗时长,病人需要经历长期的康复过程,临床疗效不能令人满意；手术治疗除了常规的手术缝合外,还依赖于移植物,包括白体、异体、假体移植。但是这些移植治疗方法又有其特有缺陷,例如白体移植需要牺牲自身供区的组织,是一种“拆东墙补西墙”的方法,还可能会引发供区出现并发症,会导致病人额外的创伤；异体移植则存在组织来源困难、异体疾病传染风险、免疫排斥等弊端；假体移植存在移植物整合差、远期疗效不佳等缺点。因此,有必要探索新的、更加有效的跟腱损伤治疗途径。干细胞具有克隆形成、多向分化、自我更新的特性,是组织再生的必要因素。大量研究表明,骨髓间充质干细胞(bone marrow-derived mesenchymal stem cells, BMSCs)具有潜在分化为多种结缔组织的特性,包括：骨、软骨、肌腱、肌肉、骨髓、脂肪等。有报道表明,骨髓间充质干细胞能促进肌腱组织的再生修复。由肌腱、韧带组织分离的肌腱干细胞(tendon-derived stem cells, TDSCs)是一种成体干细胞,可参与肌腱损伤的修复过程。有报道表明,TDSCs较BMSCs具有更强的克隆形成能力,更快的增殖速率。在蛋白表达谱及基因表达水平上,TDSCs是较BMSCs更原始的一种干细胞种类。同时,TDSCs高表达肌腱组织相关标志物：比如转录因子scleraxis (Sex)和tenomodulin (Tnmd),以及细胞外基质成分Collagen Ⅰ、 Collagen Ⅲ和decorin (Dcn)等。因此TDSCs可能是一种更加优良的可用于促进肌腱组织再生修复的种子细胞。但是,对于TDSCs及BMSCs用于肌腱断裂修复的作用差异未见系统的研究报道。因此,本文采用SD大鼠为研究对象,提取分离两种干细胞。在体外考察两者的基因转录、蛋白表达、细胞表型、增殖速率等差异；在此研究基础上,以大鼠跟腱断裂为疾病模型,考察细胞移植对于肌腱断裂修复的作用。方法：本研究中,我们首先成功的从大鼠骨髓与跟腱中分离得到了BMSCs和TDSCs,通过流式细胞检测、多向分化诱导实验测定其干细胞属性。此外,连续观察两种干细胞由第一代至第七代的细胞形态,考察两种干细胞的细胞形态差异及生长状态。在体外实验中,我们通过RT-PCR、免疫荧光染色实验、EdU细胞增殖实验、MTS光密度比色细胞生存活力检测实验分别比较了TDSCs和BMSCs的Oct-4,Nucleostemin, P75, Nanog, α-SMA, Biglycan, Vimentin, Decorin, Scleraxis, Tenascin-C, Collagen Ⅲ, Collagen Ⅱ, Collagen Ⅰ, SDF-1基因表达差异、CD29, CD44, CD90, CD 146, Oct-4, α-SMA及Nucleostemin蛋白表达谱差异、DNA合成速率以及细胞增殖的差异。在体内实验中,我们首先建立了SD大鼠跟腱断裂模型,在跟腱损伤后将两种干细胞分别移植到大鼠跟腱断裂处,取不同时间点(1周、2周、3周),从外观检查、微观组织学评价、生物力学测定来考察两种干细胞对于断裂肌腱的修复作用。同时,采用定量PCR技术对于移植后的肌腱组织内胶原基因表达状况及表达差异进行分析,采用切片免疫荧光染色技术探讨移植后两种干细胞促进肌腱组织修复的可能作用机制。结果：由SD大鼠跟腱及骨髓中分离得到的TDSCs与BMSCs具有向骨、软骨、脂肪细胞分化的能力,并且均表达干细胞表明标志物：CD29, CD44, CD90,这两种细胞具有干细胞的基本特征,可认定两者为多潜能干细胞。由体外培养细胞形态学观察可知,两种细胞在第三代至第五代时细胞核较大,细胞体较为短小呈现了较好的细胞形态,其中TDSCs多数细胞呈现短梭型,具有较大的核质比；BMSCs多呈现为菱形或梭型,细胞形态均一。而细胞体外培养至第六代的时候,细胞开始出现老化,细胞形态变形。因此,由形态学观察可知,处于P3至P5代的细胞状态良好,可用于后续的实验研究。在体外比较实验中,我们发现TDSCs的Tenascin-C及Scleraxis基因表达水平较BMSCs高,这两个基因是肌腱组织修复、形成的关键因素之一。此外,TDSCs高表达Nucleostemin,而BMSCs的Nucleostemin表达量较低。此结果表明TDSCs表达更多的肌腱组织相关基因,并具有更强的干性特征。同时我们发现,TDSCs的DNA合成速率、细胞增殖速率均较BMSCs快。将两种细胞分别移植到大鼠跟腱断裂处,外观观察显示TDSCs处理组肌腱比BMSCs处理组肌腱具有更接近健康肌腱的外观形态,且修复速度更快。组织学检测显示,TDSCs处理组比BMSCs处理组更早出现较为规则的胶原纤维束排列的组织学形态,且细胞外基质更丰富。本研究还新研制了一种适合生理状态下测试生物组织力学性能的夹具,成功应用于肌腱的力学测试。结果表明,在修复早期(2周内)TDSCs处理组肌腱比BMSCs处理组肌腱能承受更大的力学拉伸。进一步的修复机制研究表明,两种细胞均能促进Tenascin-C在受损跟腱处的表达,且TDSCs的促进作用更加强。对修复后的肌腱进行基因和蛋白表达检测,结果也表明TDSCs处理组表达更为丰富的细胞外基质成分。此外,两种细胞在移植4周后,依然能在肌腱组织内检测到,说明移植的细胞已经整合进了宿主的肌腱组织中。因此,从微观及宏观水平上均表明,TDSCs较BMSCs更能促进肌腱组织的再生修复,其机制可能与TDSCs较好的促进了细胞外基质成分表达有关。结论：与BMSCs比较,TDSCs具有更高的增殖速率,表达更丰富的肌腱相关基因与蛋白。当移植入大鼠跟腱断裂处后,TDSCs和BMSCs都能促进肌腱组织的修复,但是TDSCs表现了更强的促进断裂肌腱再生能力。在断裂肌腱组织处,TDSCs高表达肌腱修复关键因子Tenascin-C可能是TDSCs较BMSCs修复作用更佳的原因之一。总之,本研究的结论表明TDSCs较BMSCs具有更优异的促进跟腱损伤修复的潜能,可作为跟腱损伤修复组织工程学理想的种子细胞。
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【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R687.2

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