骨髓源神经祖细胞向神经元分化促进鼠脑损伤神经再生

摘要

背景和目的： 干细胞与再生医学研究是当今生命科学最受关注的前沿领域，干细胞移植治疗中枢神经损伤疾病在国内外实验研究方面取得了很大进展。其中，间充质干细胞（mesenchymal stem cells，MSC）是其中研究最多的一种干细胞。其原因之一是，MSCs具有强大的增殖能力和多向分化潜能，在适宜的体内或体外环境下，可分化为神经元、胶质细胞等外胚层细胞发挥神经修复作用。2014年全球有关MSCs临床转化研究多达409项目（www.ClinicalTrial.gov），美国批准了40余项其在脑损伤方面的临床试验。2016年中国神经科学学会神经损伤与修复分会脑损伤神经功能损害与修复专家共识，将间充质干细胞视为细胞修复治疗脑损伤有前景的治疗策略。 前期研究发现，在神经细胞培养环境中，骨髓源性神经细胞形成过程中可能存在骨髓源神经祖细胞（bone marrow derived neural progenitor cells，BM-NPCs）阶段。BM-NPCs可能较BM-MSCs更适合作为细胞移植的种子细胞，发挥细胞替代作用治疗中枢神经损伤疾病。因此，如何更好地诱导BM-MSCs向功能性神经细胞定向分化，获取骨髓源性神经祖细胞，观察骨髓源神经元在颅内长期存活，并能够参与神经再生的有力证据，是其临床转化移植治疗中枢神经损伤疾病亟待解决的问题。 本课题聚焦在获取BM-NPCs，探讨BM-NPCs筛选纯化方案，证明功能性骨髓源性神经元能够在颅内长期存活，并参与神经元再生，为骨髓源神祖细胞在中枢神经再生中的应用提供有价值的实验依据。 第一部分 获取骨髓源神祖细胞 目的： 通过神经干细胞悬浮培养法，获取骨髓源神祖细胞（BM-NPCs），观察分析BM-NPCs细胞学特性。 方法： 采用全骨髓贴壁培养法分离培养大鼠BM-MSCs，观察原代及传代细胞的形态及增殖特点，采用流式细胞术检测表面标志物。将第3代BM-MSCs转移到无血清神经干细胞培养基Neurobal-A medium，加1%N2-supplement、2%B27、2mmol/L L-谷氨酰胺和20ng/ml bFGF&EGF的悬浮培养瓶诱导培养。48h后可见部分细胞聚集成团悬浮生长，AccutaseTM酶消化传代，其中部分细胞具有成球悬浮增殖生长能力，取第三代骨髓来源细胞球备用。通过流式细胞术检测这种骨髓来源细胞球的细胞周期，用细胞免疫荧光和RT-PCR方法等鉴定其多项向分化潜能与神经祖细胞相关基因蛋白表达情况，并进行成脂能力检测。 结果： 课题培养的BM-MSCs符合国际干细胞对BM-MSCs的鉴定标准，经流式细胞鉴定CD34/45/3/4/11b/14/133(-)和CD29/105(+)。通过神经干细胞悬浮培养法多次传代扩增获取的骨髓来源细胞球，经流式细胞周期检测发现，第3代细胞球79.2％的细胞停滞在G0/G1期；细胞免疫荧光鉴定表达SOX2/CD133/Nestin蛋白；半定量RT-PCR检测细胞球mRNA水平结果显示，较强表达c-myc/klf4/sox2，弱表达Sca-1，不表达0ct4的多能干细胞基因特点，具有较强表达Muashil1/CD184/CD133，表达CD56/Nestin/Muashil2/Notch1神经祖细胞基因特点，同时，具有成脂诱导分化能力，诱导脂滴红油O染色阳性。 结论： 采用神经干细胞悬浮培养法，从BM-MSCs中获取的骨髓来源细胞球，表达神经祖细胞基因和蛋白，具有向神经细胞分化倾向等神经祖细胞特点，保留多向分化潜能。 第二部分 骨髓源神经祖细胞向神经元样细胞诱导分化 目的： 通过直接贴壁分化和与神经元共培养诱导方法，观察分析BM-NPCs向神经细胞诱导分化的能力，检测细胞分化过程中基因水平改变特点，为向功能性神经元诱导分化提供依据。 方法： 将BM-MSCs获得的第3代BM-NPCs置于神经元细胞培养基中贴壁诱导观察15d。通过细胞免疫荧光技术分析诱导细胞神经元标志物Tuj-1/NF200和神经胶质细胞标志物GFAP/S100的表达情况，用半定量RT-PCR与定量qPCR检测mRNA水平，诱导前后神经干细胞标志物（Nestin/NCAM1/CD133）基因，神经细胞基因β-Ⅲ-tubulin/NeuN/5-HT/ACHE/GABA和CNPase，以及神经营养因子NGF/BDNF/GDNF基因表达情况。另外，将CM-Dil细胞示踪剂标记后的第3代BM-NPCs与原代皮层神经元细胞共培养15d，利用倒置显微镜和细胞免疫荧光法观察检测神经元标志物Tuj-1表达情况。 结果： BM-NPCs直接贴壁诱导的骨髓源神经细胞，10d后可见神经元样形态细胞，其中一些细胞似胶质细胞形态，互相连成网状生长；继续诱导5d，可见较典型的神经样细胞形态，与正常皮层神经元样细胞形态相似，完全不同于BM-MSCs。这些神经样细胞可表达部分神经细胞表型Tuj-1(+)/NF200(-)和GFAP(+)/S100(+)，以及表达β-Ⅲ-tubulin(+)/NeuN/5-HT(+)/ACHE(+)/GABA(-)和CNPase(++)/NGF(+++)/BDNF(+)/GDNF(+)基因特点。定量基因表达检测发现，BM-NPCs较BM-MSCs高表达NCAM1和CD133神经祖细胞基因，贴壁分化后干细胞基因Nestin、NCAM1、CD133表达明显下降，随着细胞分化成不同的神经样细胞，β-Ⅲ-tubulin/NeuN/5-HT/ACHE基因表达下调，提示实验给予的直接贴壁诱导分化环境，并不利于向神经元分化，无法形成成熟神经元和表达神经递质，培养时间越长更多的细胞可能向容易增殖存活的胶质细胞分化，伴随CNPase表达升高，NGF营养因子基因水平的显著提高。 将CM-Dil细胞示踪剂标记后的BM-NPCs置于更适合神经元生长的环境中，与原代皮层神经元细胞共培养，可见BM-NPCs可分化成较多典型神经元样形态特征、Tuj1荧光蛋白呈阳性表达，与正常神经细胞相互连接成网络状生长。结果提示在更适宜神经元生长环境，BM-NPCs可能具备向成熟功能性神经元分化的能力。 结论： 实验中体外诱导的骨髓源性神经元样细胞与完全成熟神经元相比细胞形态相似，但基因表达上仍存在一定差距，悬浮扩增培养的BM-NPCs较BM-MSCs更具有向神经细胞分化的能力，BM-NPCs在合适的环境中可能有能力向功能性神经元分化，在中枢神经损伤疾病中发挥作用。 第三部分 骨髓源神经元长期存活参与脑神经再生 目的： 寻找骨髓源神经元在脑损伤局部长期存活，并参与脑损伤神经再生的证据，为BM-NPCs移植治疗中枢神经损伤疾病提供有价值的实验依据。 方法： 建立脑损伤大鼠模型7d后，随机将CD-Dil细胞示踪的BM-NPCs10ul（100万个细胞）通过微量注射器移植至脑损伤部位大鼠设为细胞组，同样条件下注射培养基的大鼠设为对照组，每组20只。分别在移植后的第1d、3d、7d、30d和60d进行运动功能Wayne clark评分与grooming评分。同时，移植后第7d、30d、60d和90d取材，进行脑组织病理检测，利用组织免疫荧光法检测CM-Dil标记的BM-NPCs在脑损伤区的存活迁移情况及神经细胞标志物NeuN、GFAP表达情况。 结果： （1）HE染色显示：造模7d，各组大鼠脑损伤灶周围组织碎裂，血管受压变形，血流量减少，神经细胞肿胀坏死变性。细胞移植7d，对照组损伤灶周围组织水肿，可见囊性空洞，神经细胞的数量明显减少，周围炎症细胞浸润；细胞组水肿较轻，囊性空洞范围局限，可见胶质细胞。移植30d，脑损伤灶周围组织有所恢复，与对照组相比，细胞组囊性空洞较小，且周围细胞排类较整齐，组织水肿和炎症细胞消失。 （2）组织免疫荧光结果：移植7d，细胞组脑损伤组织周围可见CM-Dil标记的细胞移植到损伤的区域，但未见NeuN阳性的Dil+细胞。移植30d，脑损伤组织周围可见大量GFAP呈阳性表达的胶质细胞，其中部分Dil+细胞；在海马和脑皮层神经元区域，可见散在Dil+细胞表达NeuN，与正常神经细胞整合在一起。移植90d，细胞组仍然可见CM-Dil标记的NeuN阳性细胞整合在脑组织正常神经细胞中，与损伤区周围组织融合生长。 （3）动物行为学评分：移植1d，两组Wayne clark、grooming评分结果比较无显著差异（P＞0.05）；移植3d、7d、30d、60d，各组Wayne clark、grooming评分结果显示组间比较有显著意义（P＜0.05），细胞移植组功能恢复较好。 结论： 移植BM-NPCs具有促进脑损伤大鼠患侧肢体运动功能恢复的作用，骨髓源性神经细胞可在颅内长期存活的，骨髓源神经元整合到了损伤脑组织参与神经再生。

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Abstract

前 言

实验材料

1.1 材料来源

1.2 主要试剂

1.3 实验器械

1.4 主要试剂 / 溶液的配制方法：

1.实验目的

2.实验方法

3 实验结果

4.讨论

第二部分 骨髓源神经祖细胞向神经元诱导分化

1. 实验目的

2. 实验方法

3.实验结果：

4. 讨论

第三部分 骨髓源神经元长期存活参与鼠脑神经再生的证据

1. 实验目的

2. 实验方法

3.结果：

4.讨 论

总 结

参考文献

英文缩写词表

综 述

附表 1 实时荧光定量 PCR 引物序列