本研究目的是探討脂肪基質細胞(ADSCs)的原代分離培養、增殖及純化方法,并探討其生物學特性。采用Ⅰ型膠原酶消化法獲取ADSCs,觀察其生長情況,采用MTT法檢測不同消化時間下細胞存活能力,并進行鑒定及誘導。結果表明:①Ⅰ型膠原酶消化60 min獲得的貼壁細胞增殖能力旺盛;②經過不同誘導劑誘導能分化為神經細胞和脂肪細胞。ADSCs的原代培養選擇對脂肪組織消化60 min進行實驗效果最好。本研究結果顯示脂肪組織能分離培養出具有多向分化能力的干細胞,即ADSCs。
引用本文: 鄧春穎, 劉斌, 張晉霞. 脂肪基質細胞的原代培養. 生物醫學工程學雜志, 2014, 31(4): 842-845. doi: 10.7507/1001-5515.20140158 復制
引言
干細胞是一種具有多潛能的細胞,可以來源于不同組織[1],它的存在對組織生長和修復有刺激作用[2],對免疫調節有影響,在細胞治療領域有廣闊前景[3]。而從脂肪組織中分離出的干細胞更成為研究熱點,這與脂肪組織來源豐富、取材簡單等優點有關[4-5]。細胞培養是指將采集于體內組織的細胞模擬體內生長環境,放置在無菌、一定營養條件、適宜的溫度及酸堿度下,使其生長、繁殖,并維持其結構和功能的一種技術。本實驗通過對脂肪基質細胞(adipose-derived stem cells,ADSCs)的原代體外分離培養及擴增的研究,檢測其表面抗原及向神經細胞、脂肪細胞的分化潛能,為組織工程提供新的細胞種子來源。
1 材料
1.1 實驗動物
清潔級健康2~4周齡SD大鼠20只,雌雄不限,體質量100~120 g,購自北京維通利華實驗動物技術有限公司(合格證號:0163923),對動物的操作處理符合科技部頒布的《關于善待實驗動物的指導意見》的相關要求[6]。
1.2 實驗試劑
高糖DMEM培養基、Ⅰ型膠原酶、氫化可的松、丁基羥基茴香醚(BHA)、胰島素、forskolin、青霉素、鏈霉素、油紅O干粉購自美國Sigma,α-MEM培養基購自美國Gibco,標準胎牛血清FBS、牛血清白蛋白、胰蛋白酶、乙二胺四乙酸二鈉(EDTA)、培養瓶、培養板、100目篩網購自天津血液研究所,兔抗鼠MAP2、兔抗鼠NSE、兔抗鼠Nestin、FITC標記山羊抗兔IgG、TRITON X-100購自北京中杉生物技術有限公司。
神經誘導培養基(NIM)的配制:取BHA 200 μmol/L、KCl 5 mmol、丙戊酸鈉2 mmol/L、forskolin 10 μmol/L、氫化可的松1 μmol/L、胰島素5 mg,其中BHA先用50 mL乙醇溶解后,分別與上述試劑加入α-MEM培養基中,充分溶解后α-MEM定容至1 L,蔡氏濾器過濾后,分裝,-20℃保存。
脂肪細胞誘導體系:將0.5 mmol/L 3-異丁基-1-甲基黃嘌呤(IBMX)、1 mol/L地塞米松、200 mol/L吲哚美辛加入含100 mL/L胎牛血清的α-MEM液中,混勻。
油紅O母液染液配制:將1.8 g油紅O干粉溶解到300 mL異丙醇中,密封,置于37 ℃水浴加熱,充分溶解,干液可長期室溫保存。
油紅O工作液染液配制:母液與三蒸水以1∶1比例混合,混勻后過濾,取濾液作為新鮮染液,在2 h內使用。
2 方法
2.1 原代細胞獲取
頸椎脫臼處死動物,浸泡于75%酒精中消毒10 min,將動物固定在預先紫外線照射消毒的超凈臺內,充分暴露雙側腹股溝部,用眼科剪及眼科鑷取雙側腹股溝皮下脂肪墊,置入盛有D-Hank’s緩沖液的培養皿中,沖洗,去除血漬及多余結締組織,瀝干緩沖液后用眼科剪將脂肪組織剪碎,置入膠原酶消化液(含有250 U/mLⅠ型膠原酶、1% BSA)中消化,37 ℃恒溫震蕩分別攪拌30、60和90 min。將消化呈乳糜狀的脂肪組織置于低溫高速離心機內離心(4 ℃,1 000 r/min)10 min,倒掉上層脂肪組織及上清液,用紅細胞裂解液重新懸浮沉淀物并靜置10 min以去除紅細胞,再離心(4 ℃,1 000 r/min)10 min,棄上清,用含血清的高糖DMEM培養基懸浮吹打,100目篩網過濾后,再離心(4 ℃,1 000 r/min)10 min,棄上清,用含血清的高糖DMEM培養基懸浮吹打,調整細胞種植密度,按8 000個/cm2密度種植于50 mL細胞培養瓶中,置于37 ℃、體積分數為5%的CO2孵育箱中,24 h后首次換液,以去除殘余雜質細胞及未貼壁的細胞。以后每2~3 d換液一次,約一周后細胞在培養瓶底層基本融合時即可進行傳代培養。傳代時首先倒去培養基,用含有雙抗的D-Hank’s液沖洗一遍后倒掉,加入胰酶-EDTA溶液約1 mL,倒置相差顯微鏡下觀察細胞形態,原貼壁的細胞逐漸趨于圓形,至70%~80%細胞浮起時,加入10 mL含有FBS的高糖培養基終止消化,吹打懸浮后1 000 r/min離心10 min,倒掉培養基,再用10 mL含有FBS的高糖DMEM完全培養基懸浮吹打后按1∶2比例傳代,傳代后未貼壁細胞為死亡脂肪基質細胞或雜質細胞,每次傳代時傾倒原培養基后,用含雙抗的D-Hank’s液沖洗,以去除未貼壁細胞,經數次傳代后細胞形態趨于一致,未貼壁細胞減少,得到純化。
2.2 細胞形態學觀察及存活能力檢測
在Nikon倒置相差顯微鏡下觀察細胞生長,并用Olympus照相機連續記錄原代及傳代細胞貼壁生長、增殖情況。
將不同消化時間獲得的原代細胞標記為D30、D60和D90,分別對三組原代細胞進行首次換液,Nikon倒置相差顯微鏡下觀察貼壁細胞情況,換液后繼續培養細胞,將首次換液后培養1、2、3、4、5 d的三組細胞進行消化并接種于96孔板內,每孔2 000個細胞。
MTT檢測過程如下:分別對三組首次換液培養不同時間的細胞進行傳代并計數。將細胞以2 000個/孔的密度接種至96孔板中,將培養基補齊至200 μL,每組接種3個平行孔。另取3孔只加等量高糖DMEM完全培養基作為對照。重復接種5個96孔板。接種24 h后,取出96孔板,每孔加入MTT 20 μL,輕輕混勻放回細胞培養箱。孵育4 h后,輕輕吸去培養基,每孔加入150 μL DMSO,避光置于低速搖床上混勻。在492 nm下測量吸光度(optical density,OD)值,保存數據。其余4個96孔板同上方法處理。
2.3 免疫細胞化學鑒定分析
將第3代ADSCs采用胰酶消化,將第4代細胞消化后傳代至已預先放入無菌蓋玻片的6孔培養板中,制備細胞爬片。
制備爬片后,將高糖培養基換成NIM誘導培養基進行誘導培養,16 h后對其進行免疫細胞化學檢測。
制備爬片后,將高糖培養基換成脂肪細胞誘導體系進行誘導培養,誘導12 d后進行油紅O染色。
油紅O染色過程如下:移除誘導培養基,用PBS洗3次,每次3 min,取出蓋玻片置于蓋玻片架上,10% Ca-甲醛固定10 min,PBS洗3次,每次3 min,將細胞晾干20 min;加入油紅O工作液,染色1 h,棄去染色劑,用異丙醇洗去未著色的染料,然后用蘇木素復染細胞核,甘油明膠封片。顯微鏡下觀察并照相。
2.4 細胞生長曲線測定
7d左右貼壁細胞可達到80%~90%融合,通過繪制細胞生長曲線,顯示出細胞生長狀態良好,形態、大小較一致,本實驗選擇低密度(8 000 cells/cm2)種植進行傳代,以保證細胞低分化狀態,并連續測定細胞生長曲線。
3 結果
3.1 細胞形態學及存活能力結果
鏡下觀察原代細胞呈圓形,懸浮狀態,混有少量雜質細胞及脂滴,24 h后大量細胞貼壁生長,呈梭形、三角形或多角形,形態較均一,3~5 d增殖迅速,之后細胞成團生長[見圖 1(a)]。隨著傳代,細胞得到純化,最終呈長梭形,漩渦狀生長[見圖 1(b)]。

倒置相差顯微鏡下觀察原代及傳代細胞,D30、D90兩組獲得貼壁細胞數量少,但貼壁后D30組細胞生長狀態明顯好于D90組,且增殖速度佳,未見分化細胞;D60組貼壁細胞數量多,貼壁后生長狀態良好。
MTT法測定D30、D60和D90組ADSCs的生長曲線見圖 2,可見曲線均呈“S”型。D30組和D60組在各時間點OD值無差異(P>0.05);在對數生長期D30、D60組ADSCs擴增速率比D90組快,且進入平臺期OD值仍高于D90組(P<0.05)。

3.2 經NIM誘導分化的結果
加入NIM神經誘導培養基20 min后鏡下觀察,細胞形態已開始發生變化,1 h后這種變化更加顯著,胞體發亮向核心回縮,呈球狀,立體、折光感增強,并從胞體周圍伸出數量不等的突起,且誘導時間越長,發生此種變化的細胞數量越多,形成雙極或多極細胞,胞體上發出的突起交織成網,并且死亡的細胞數量也有所增加。細胞誘導24 h后進行細胞免疫化學染色,神經巢蛋白(Nestin)、神經元特異性烯醇化酶(neuron-specific enolase,NSE)和微管結合蛋白2(microtubule-associated protein 2,MAP2)在胞質中均呈現陽性表達(見圖 3)。

3.3 經脂肪細胞誘導體系誘導分化的結果
誘導分化后細胞形態變圓,胞質出現脂滴,脂滴積聚,90%以上的細胞分化為成熟的脂肪細胞,細胞內積聚大量的脂滴,經油紅O染色后脂滴呈紅色,胞核呈藍色(見圖 4)。

4 討論
骨髓干細胞是目前研究相對成熟的成體干細胞,Yoshimura等[7]研究表明ADSCs具有與其相似的生物學特性,鑒于ADSCs的優點,隨著研究的不斷深入,它將成為自體干細胞移植的首選細胞來源。本實驗采用膠原酶法提取SD大鼠腹股溝皮下脂肪墊中的基質細胞。膠原酶的消化濃度及消化時間均可影響細胞貼壁情況及生長狀態[8],因此,膠原酶的配制及消化時間的控制成為實驗過程的關鍵。本實驗膠原酶消化液濃度配方參照我們先前的實驗方法[5],含有250 U/mL Ⅰ型膠原酶和1% BSA;對機械剪碎的脂肪組織進行不同時間的消化,結果顯示消化30 min,消化液中仍存在較大的組織塊,消化不徹底,接種后得到的細胞數量較少,且在實驗中細胞過濾的時候困難大,耗時長,使細胞較長時間暴露于空氣中,不利于細胞存活。消化60 min,組織塊消化基本完全,實驗過程耗時短,能得到較多的細胞,且細胞生命力旺盛,貼壁生長較快。消化90 min的細胞,組織塊完全消化,接種后細胞數量較多,但其貼壁能力明顯下降,經過24 h首次換液后,大部分細胞未能成活,降低了細胞提取率。查閱相關文獻[9]及綜合本實驗結果,考慮消化時間過長,對細胞的黏附和播散能力造成了損害,使其貼壁成活能力下降。通過對首次傳代后細胞生長曲線觀察,消化時間過長,貼壁后的細胞生長能力也會下降,故選擇消化60 min進行實驗效果最好。
對ADSCs采用NIM神經誘導培養基誘導后,細胞呈現典型神經元樣改變,經免疫組化檢測,神經前體細胞的特異性標志Nestin、神經細胞的特異性標志NSE和MAP2均有陽性表達,表明ADSCs可成功誘導為神經元樣細胞。采用脂肪細胞誘導體系誘導出含有大量脂滴的細胞,經油紅O染色鑒定,為成熟的脂肪細胞。此外文獻報道ADSCs可以向骨細胞、軟骨細胞、心肌細胞、血管內皮細胞等方向分化,可以修復骨組織、軟骨組織、心肌、骨骼肌及血管等[10-12]。本實驗在體外分離、培養出了ADSCs,在特定誘導劑的作用下誘導分化出神經細胞和脂肪細胞,這為組織工程提供了一種新的細胞種子來源。
引言
干細胞是一種具有多潛能的細胞,可以來源于不同組織[1],它的存在對組織生長和修復有刺激作用[2],對免疫調節有影響,在細胞治療領域有廣闊前景[3]。而從脂肪組織中分離出的干細胞更成為研究熱點,這與脂肪組織來源豐富、取材簡單等優點有關[4-5]。細胞培養是指將采集于體內組織的細胞模擬體內生長環境,放置在無菌、一定營養條件、適宜的溫度及酸堿度下,使其生長、繁殖,并維持其結構和功能的一種技術。本實驗通過對脂肪基質細胞(adipose-derived stem cells,ADSCs)的原代體外分離培養及擴增的研究,檢測其表面抗原及向神經細胞、脂肪細胞的分化潛能,為組織工程提供新的細胞種子來源。
1 材料
1.1 實驗動物
清潔級健康2~4周齡SD大鼠20只,雌雄不限,體質量100~120 g,購自北京維通利華實驗動物技術有限公司(合格證號:0163923),對動物的操作處理符合科技部頒布的《關于善待實驗動物的指導意見》的相關要求[6]。
1.2 實驗試劑
高糖DMEM培養基、Ⅰ型膠原酶、氫化可的松、丁基羥基茴香醚(BHA)、胰島素、forskolin、青霉素、鏈霉素、油紅O干粉購自美國Sigma,α-MEM培養基購自美國Gibco,標準胎牛血清FBS、牛血清白蛋白、胰蛋白酶、乙二胺四乙酸二鈉(EDTA)、培養瓶、培養板、100目篩網購自天津血液研究所,兔抗鼠MAP2、兔抗鼠NSE、兔抗鼠Nestin、FITC標記山羊抗兔IgG、TRITON X-100購自北京中杉生物技術有限公司。
神經誘導培養基(NIM)的配制:取BHA 200 μmol/L、KCl 5 mmol、丙戊酸鈉2 mmol/L、forskolin 10 μmol/L、氫化可的松1 μmol/L、胰島素5 mg,其中BHA先用50 mL乙醇溶解后,分別與上述試劑加入α-MEM培養基中,充分溶解后α-MEM定容至1 L,蔡氏濾器過濾后,分裝,-20℃保存。
脂肪細胞誘導體系:將0.5 mmol/L 3-異丁基-1-甲基黃嘌呤(IBMX)、1 mol/L地塞米松、200 mol/L吲哚美辛加入含100 mL/L胎牛血清的α-MEM液中,混勻。
油紅O母液染液配制:將1.8 g油紅O干粉溶解到300 mL異丙醇中,密封,置于37 ℃水浴加熱,充分溶解,干液可長期室溫保存。
油紅O工作液染液配制:母液與三蒸水以1∶1比例混合,混勻后過濾,取濾液作為新鮮染液,在2 h內使用。
2 方法
2.1 原代細胞獲取
頸椎脫臼處死動物,浸泡于75%酒精中消毒10 min,將動物固定在預先紫外線照射消毒的超凈臺內,充分暴露雙側腹股溝部,用眼科剪及眼科鑷取雙側腹股溝皮下脂肪墊,置入盛有D-Hank’s緩沖液的培養皿中,沖洗,去除血漬及多余結締組織,瀝干緩沖液后用眼科剪將脂肪組織剪碎,置入膠原酶消化液(含有250 U/mLⅠ型膠原酶、1% BSA)中消化,37 ℃恒溫震蕩分別攪拌30、60和90 min。將消化呈乳糜狀的脂肪組織置于低溫高速離心機內離心(4 ℃,1 000 r/min)10 min,倒掉上層脂肪組織及上清液,用紅細胞裂解液重新懸浮沉淀物并靜置10 min以去除紅細胞,再離心(4 ℃,1 000 r/min)10 min,棄上清,用含血清的高糖DMEM培養基懸浮吹打,100目篩網過濾后,再離心(4 ℃,1 000 r/min)10 min,棄上清,用含血清的高糖DMEM培養基懸浮吹打,調整細胞種植密度,按8 000個/cm2密度種植于50 mL細胞培養瓶中,置于37 ℃、體積分數為5%的CO2孵育箱中,24 h后首次換液,以去除殘余雜質細胞及未貼壁的細胞。以后每2~3 d換液一次,約一周后細胞在培養瓶底層基本融合時即可進行傳代培養。傳代時首先倒去培養基,用含有雙抗的D-Hank’s液沖洗一遍后倒掉,加入胰酶-EDTA溶液約1 mL,倒置相差顯微鏡下觀察細胞形態,原貼壁的細胞逐漸趨于圓形,至70%~80%細胞浮起時,加入10 mL含有FBS的高糖培養基終止消化,吹打懸浮后1 000 r/min離心10 min,倒掉培養基,再用10 mL含有FBS的高糖DMEM完全培養基懸浮吹打后按1∶2比例傳代,傳代后未貼壁細胞為死亡脂肪基質細胞或雜質細胞,每次傳代時傾倒原培養基后,用含雙抗的D-Hank’s液沖洗,以去除未貼壁細胞,經數次傳代后細胞形態趨于一致,未貼壁細胞減少,得到純化。
2.2 細胞形態學觀察及存活能力檢測
在Nikon倒置相差顯微鏡下觀察細胞生長,并用Olympus照相機連續記錄原代及傳代細胞貼壁生長、增殖情況。
將不同消化時間獲得的原代細胞標記為D30、D60和D90,分別對三組原代細胞進行首次換液,Nikon倒置相差顯微鏡下觀察貼壁細胞情況,換液后繼續培養細胞,將首次換液后培養1、2、3、4、5 d的三組細胞進行消化并接種于96孔板內,每孔2 000個細胞。
MTT檢測過程如下:分別對三組首次換液培養不同時間的細胞進行傳代并計數。將細胞以2 000個/孔的密度接種至96孔板中,將培養基補齊至200 μL,每組接種3個平行孔。另取3孔只加等量高糖DMEM完全培養基作為對照。重復接種5個96孔板。接種24 h后,取出96孔板,每孔加入MTT 20 μL,輕輕混勻放回細胞培養箱。孵育4 h后,輕輕吸去培養基,每孔加入150 μL DMSO,避光置于低速搖床上混勻。在492 nm下測量吸光度(optical density,OD)值,保存數據。其余4個96孔板同上方法處理。
2.3 免疫細胞化學鑒定分析
將第3代ADSCs采用胰酶消化,將第4代細胞消化后傳代至已預先放入無菌蓋玻片的6孔培養板中,制備細胞爬片。
制備爬片后,將高糖培養基換成NIM誘導培養基進行誘導培養,16 h后對其進行免疫細胞化學檢測。
制備爬片后,將高糖培養基換成脂肪細胞誘導體系進行誘導培養,誘導12 d后進行油紅O染色。
油紅O染色過程如下:移除誘導培養基,用PBS洗3次,每次3 min,取出蓋玻片置于蓋玻片架上,10% Ca-甲醛固定10 min,PBS洗3次,每次3 min,將細胞晾干20 min;加入油紅O工作液,染色1 h,棄去染色劑,用異丙醇洗去未著色的染料,然后用蘇木素復染細胞核,甘油明膠封片。顯微鏡下觀察并照相。
2.4 細胞生長曲線測定
7d左右貼壁細胞可達到80%~90%融合,通過繪制細胞生長曲線,顯示出細胞生長狀態良好,形態、大小較一致,本實驗選擇低密度(8 000 cells/cm2)種植進行傳代,以保證細胞低分化狀態,并連續測定細胞生長曲線。
3 結果
3.1 細胞形態學及存活能力結果
鏡下觀察原代細胞呈圓形,懸浮狀態,混有少量雜質細胞及脂滴,24 h后大量細胞貼壁生長,呈梭形、三角形或多角形,形態較均一,3~5 d增殖迅速,之后細胞成團生長[見圖 1(a)]。隨著傳代,細胞得到純化,最終呈長梭形,漩渦狀生長[見圖 1(b)]。

倒置相差顯微鏡下觀察原代及傳代細胞,D30、D90兩組獲得貼壁細胞數量少,但貼壁后D30組細胞生長狀態明顯好于D90組,且增殖速度佳,未見分化細胞;D60組貼壁細胞數量多,貼壁后生長狀態良好。
MTT法測定D30、D60和D90組ADSCs的生長曲線見圖 2,可見曲線均呈“S”型。D30組和D60組在各時間點OD值無差異(P>0.05);在對數生長期D30、D60組ADSCs擴增速率比D90組快,且進入平臺期OD值仍高于D90組(P<0.05)。

3.2 經NIM誘導分化的結果
加入NIM神經誘導培養基20 min后鏡下觀察,細胞形態已開始發生變化,1 h后這種變化更加顯著,胞體發亮向核心回縮,呈球狀,立體、折光感增強,并從胞體周圍伸出數量不等的突起,且誘導時間越長,發生此種變化的細胞數量越多,形成雙極或多極細胞,胞體上發出的突起交織成網,并且死亡的細胞數量也有所增加。細胞誘導24 h后進行細胞免疫化學染色,神經巢蛋白(Nestin)、神經元特異性烯醇化酶(neuron-specific enolase,NSE)和微管結合蛋白2(microtubule-associated protein 2,MAP2)在胞質中均呈現陽性表達(見圖 3)。

3.3 經脂肪細胞誘導體系誘導分化的結果
誘導分化后細胞形態變圓,胞質出現脂滴,脂滴積聚,90%以上的細胞分化為成熟的脂肪細胞,細胞內積聚大量的脂滴,經油紅O染色后脂滴呈紅色,胞核呈藍色(見圖 4)。

4 討論
骨髓干細胞是目前研究相對成熟的成體干細胞,Yoshimura等[7]研究表明ADSCs具有與其相似的生物學特性,鑒于ADSCs的優點,隨著研究的不斷深入,它將成為自體干細胞移植的首選細胞來源。本實驗采用膠原酶法提取SD大鼠腹股溝皮下脂肪墊中的基質細胞。膠原酶的消化濃度及消化時間均可影響細胞貼壁情況及生長狀態[8],因此,膠原酶的配制及消化時間的控制成為實驗過程的關鍵。本實驗膠原酶消化液濃度配方參照我們先前的實驗方法[5],含有250 U/mL Ⅰ型膠原酶和1% BSA;對機械剪碎的脂肪組織進行不同時間的消化,結果顯示消化30 min,消化液中仍存在較大的組織塊,消化不徹底,接種后得到的細胞數量較少,且在實驗中細胞過濾的時候困難大,耗時長,使細胞較長時間暴露于空氣中,不利于細胞存活。消化60 min,組織塊消化基本完全,實驗過程耗時短,能得到較多的細胞,且細胞生命力旺盛,貼壁生長較快。消化90 min的細胞,組織塊完全消化,接種后細胞數量較多,但其貼壁能力明顯下降,經過24 h首次換液后,大部分細胞未能成活,降低了細胞提取率。查閱相關文獻[9]及綜合本實驗結果,考慮消化時間過長,對細胞的黏附和播散能力造成了損害,使其貼壁成活能力下降。通過對首次傳代后細胞生長曲線觀察,消化時間過長,貼壁后的細胞生長能力也會下降,故選擇消化60 min進行實驗效果最好。
對ADSCs采用NIM神經誘導培養基誘導后,細胞呈現典型神經元樣改變,經免疫組化檢測,神經前體細胞的特異性標志Nestin、神經細胞的特異性標志NSE和MAP2均有陽性表達,表明ADSCs可成功誘導為神經元樣細胞。采用脂肪細胞誘導體系誘導出含有大量脂滴的細胞,經油紅O染色鑒定,為成熟的脂肪細胞。此外文獻報道ADSCs可以向骨細胞、軟骨細胞、心肌細胞、血管內皮細胞等方向分化,可以修復骨組織、軟骨組織、心肌、骨骼肌及血管等[10-12]。本實驗在體外分離、培養出了ADSCs,在特定誘導劑的作用下誘導分化出神經細胞和脂肪細胞,這為組織工程提供了一種新的細胞種子來源。