缺氧条件下脑微血管内皮细胞与间充质干细胞的相互影响

摘要

研究背景： 骨髓间充质干细胞(mesenchymalstemcells，MSC)是来源于骨髓的成体干细胞，具有多潜能分化性，已证明MSC修复和分化为多种组织的能力，尤其在修复和重建血管方面成为缺血性疾病治疗研究的热点。脑微血管内皮细胞(brainmicrovascularendothelialcells，BMEC)是构成血脑屏障的最主要组成部分，具有细胞间紧密连接、极少的胞饮囊泡和维持神经组织离子和代谢稳定的特殊跨膜转运系统等独有生理特点。在缺血性脑血管疾病中，BMEC的损伤是导致血脑屏障开放、脑水肿发生，从而加重神经元细胞损伤的重要因素，同时缺血半暗区脑微血管的修复与新生也是挽救缺血受损神经元的关键。当前，在干细胞治疗缺血性脑血管病的研究方面，多数研究聚焦于干细胞修复受损的神经组织，然而在干细胞对脑缺血部位受损的血脑屏障和微血管内皮细胞影响的研究并未深入。本实验以缺氧条件下培养BMEC模拟缺血性脑血管疾病中血脑屏障和脑微血管所处的病理生理环境，观察BMEC对共培养的MSC分化的影响，以及MSC以旁分泌方式对BMEC增殖、迁移和血脑屏障模型通透性的影响，为MSC应用于缺血性脑血管疾病的治疗提供基础实验依据。 研究目的： 1.分离、培养及鉴定大鼠BMEC和人骨髓MSC，建立缺氧条件下BMEC与MSC直接与间接共培养的模型，观察缺氧条件下BMEC对直接与间接共培养的MSC分化的影响。 2.测定MSC与BMEC条件培养液中血管内皮生长因子(vascularendothelialgrowthfactor，VEGF)和基质金属蛋白酶-9(matrixmetalloproteinases-9，MMP-9)含量，观察缺氧条件下MSC以旁分泌方式对BMEC增殖、迁移及其单层通透性的影响。 研究方法： 1.分离、培养及鉴定大鼠BMEC和人骨髓MSC：采用两次酶消化法(0.1％Ⅱ型胶原酶，0.1％胶原酶/分散酶)和密度梯度离心法得到纯化的脑微血管片段，加入含10ng/mlbFGF、20％胎牛血清和100μg/ml肝素钠的DMEM高糖完全培养液，接种于涂布Ⅳ型胶原和纤连蛋白的塑料培养瓶，免疫荧光细胞化学法鉴定BMEC的vWF表达；用密度梯度离心法分离人骨髓MSC，采用流式细胞术鉴定MSC的CD29、CD34、CD44、CD105和Flk-1表达。建立缺氧条件下BMEC与MSC直接与间接共培养的模型：缺氧实验在37℃、93％N2、5％CO2、2％O2的缺氧培养箱内进行；间接共培养使用孔径0.4μm的MillicellCulturePlateInserts，BMEC以10％胎牛血清的DMEM低糖(DMEM-10)接种于上层(5x103/well)，将MSC以DMEM-10接种于下层24孔板内(5×103/well)；直接共培养将两种细胞以5000:5000cells/ml的比率混合于DMEM-10后接种于培养瓶或盖玻片上。观察缺氧条件下BMEC对共培养的MSC分化的影响：分别将直接和间接共培养的细胞在正常和缺氧条件下培养5天，采用流式细胞术(定量检测Flk-1)和免疫荧光细胞化学法(定性检测Flk-1和vWF)对MSC的分化程度进行分析。 2.①测定MSC与BMEC条件培养液中VEGF和MMP-9含量：收集正常和缺氧条件下两种细胞的条件培养基得到正常的脑微血管内皮细胞条件培养基(BMECCMN)、间充质干细胞条件培养基(MSCCMN)，以及缺氧条件下脑微血管内皮细胞条件培养基(BMECCMH)、间充质干细胞条件培养基(MSCCMH)，用ELISA检测各条件培养基中VEGF和MMP-9的含量；②观察各条件培养基对BMEC增殖和迁移的影响：使用六种不同培养基(DMEM-10、MSCCMN、MSCCMH煮沸的MSCCMH培养基、添加抗VEGF抗体和MMP-9抑制剂Ⅰ的MSCCMH对BMEC进行培养，采用CellCountingKit-8方法检测各条件培养基对BMEC增殖的影响，采用Transwell培养体系检测各条件培养基对BMEC迁移的影响；③观察各条件培养基对BMEC单层通透性的影响：使用MilliCell-ERSVoltohmmeter测量不同条件培养基(DMEM-10、MSCCMN、MSCCMH、含VEGF抗体的MSCCMH和含MMP-9抑制剂Ⅰ的MSCCMH)对BMEC单层通透性的影响。 结果： 1.流式细胞仪检测结果表明MSC呈CD29、CD44、CD105阳性表达，CD34和Flk-1阴性表达；免疫荧光细胞化学法检测BMEC呈vWF阳性表达。常氧和缺氧条件下的间接和直接共培养的细胞均能良好生长。常氧条件下间接共培养MSC的Flk-1和vWF蛋白均为阴性表达。缺氧条件下间接共培养的(7.58±0.58)％(n=6，P=0.034)MSC开始表达Flk-1蛋白，激光共聚焦显微镜也显示少量细胞开始出现红色荧光，但未见绿色荧光的vWF蛋白表达。正常和缺氧条件下直接共培养5d时，开始表达Flk-1蛋白的MSC分别占共培养混合细胞数的(13.76±1.67)％(n=6，P＜0.001)和(23.64±2.50)％(n=6，P＜0.001)，两者相比有显著性差异(n=6，P＜0.001)；激光共聚焦也显示部分MSC开始表达Flk-1，而在常氧共培养细胞中未发现Flk-1阳性的细胞同时表达vWF，值得关注的是，缺氧直接共培养的混合细胞中，部分Flk-1阳性细胞开始同时表达vWF的绿色荧光。 2.①ELISA检测条件培养基中VEGF、MMP-9的含量：缺氧导致BMEC和MSC条件培养基中VEGF含量均明显增高；MSCCMH中VEGF含量明显高于BMECCMH；BMECCMN中未检测到MMP-9，MSCCMH中MMP-9含量明显高于MSCCMN和BMECCMH。②条件培养基对BMEC增殖和迁移的影响：与DMEM-10相比，MSCCMN明显增强了BMEC的增殖，而MSCCMH对BMEC的增殖作用又明显强于MSCCMN(0.947±0.103与0.532±0.028，P＜0.001，n=6)；MSCCMH促增殖作用因煮沸而完全丧失，同时VEGF的阻断抗体可明显抑制MSCCMH对BMEC的增殖作用(0.947±0.103与0.419±0.034，P＜0.001，n=6)，而MMP-9抑制剂对BMEC的增殖影响不明显(0.947±0.103与0.902±0.065，P=0.963，n=6)。与DMEM-10对照相比，MSCCMN明显增多了BMEC迁移细胞的数量，而MSCCMH对BMEC的迁移作用又明显强于MSCCMN(238±27与154±24，P＜0.01，n=6)；VEGF的阻断抗体可明显抑制MSCCMH对BMEC的迁移作用(238±27与150±20，P＜0.001，n=6)，而MMP-9抑制剂对BMEC的迁移的抑制则更为明显(238±27与106±18，P＜0.001，n=6)；与对增殖的影响类似，MSCCMH促迁移作用经煮沸处理而完全丧失。③检测24h内不同条件培养基对内皮单层通透性的影响：常氧条件下DMEM-10培养的BMEC电阻值在24h内保持在较稳定范围内，缺氧状态DMEM-10培养BMEC的电阻值在缺氧6～18h内出现明显下降，约在18h达到最低为处理前的(77.2±1.8)％；缺氧状态MSCCMH培养的BMEC的电阻值在2h内出现急剧增大，约在2h达到最低，为处理前的(50.5±2.6)％，在随后的2～24h电阻值略有回升但仍处于较低水平；抗VEGF抗体和MMP-9抑制剂Ⅰ使MSCCMH培养的BMEC电阻值下降明显趋缓，最低电阻值分别为处理前的(60.3±3.6)％和(76.0±2.4)％。 结论： 1.常氧条件下BMEC仅通过旁分泌细胞因子不足以诱导MSC分化，BMEC能够通过细胞直接接触诱导共培养的MSC向内皮分化，缺氧在诱导MSC向内皮分化的过程中发挥重要作用，缺氧条件下，直接共培养的BMEC能诱导更多的MSC更彻底地向内皮分化。 2.①MSC条件培养基中MMP-9和VEGF的含量均明显高于BMEC条件培养基，缺氧可介导BMEC和MSC条件培养基中MMP-9和VEGF的含量明显升高。②MSC可通过旁分泌方式促进内皮细胞的增殖和迁移，MMP-9在MSC以旁分泌方式促进BMEC迁移过程中发挥了重要作用，而VEGF则同时在促进BMEC增殖和迁移过程中发挥重要作用。③MSC可通过旁分泌方式导致BMEC单层通透性的急剧增大，缺氧状态下MSC所分泌的大量MMP-9和VEGF是其导致BMEC单层通透性的急剧增大的原因，这是MSC应用于缺血性脑血管疾病的治疗中值得慎重考虑的问题。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：英文缩略语表

声明

前 言

第一部分缺氧条件下脑微血管内皮细胞对间充质干细胞分化的影响

实验一 大鼠脑微血管内皮细胞的分离培养及鉴定

材料与方法

结 果

讨论

实验二 骨髓间充质干细胞的分离培养及鉴定

材料与方法

结 果

讨 论

实验三 缺氧条件下脑微血管内皮细胞与间充质干细胞直接与间接共培养模型的建立

材料与方法

结 果

讨论

实验四 缺氧条件下缺氧条件下脑微血管内皮细胞对共培养的间充质干细胞分化的影响

材料与方法

结 果

讨论

第二部分缺氧条件下间充质干细胞以旁分泌方式对脑微血管内皮细胞增殖、迁移及其单层通透性的影响

实验一 间充质干细胞与脑微血管内皮细胞条件培养液中血管内皮生长因子和基质金属蛋白酶-9含量的测定

材料与方法

结 果

讨 论

实验二缺氧条件下间充质干细胞以旁分泌方式对脑微血管内皮细胞增殖的影响

材料与方法讨论

结 果

讨 论

实验三缺氧条件下间充质干细胞以旁分泌方式对脑微血管内皮细胞迁移的影响

材料与方法

结 果

讨论

实验四 缺氧条件下间充质干细胞以旁分泌方式对脑微血管内皮细胞单层通透性的影响

材料与方法

结 果

讨 论

全文结论

致 谢

参考文献

文献综述一 间充质干细胞：修复缺血受损血管内皮的希望

文献综述二 间充质干细胞旁分泌作用影响血脑屏障通透性以及与血管源性脑水肿的关系

在读期间发表论文