干细胞体外培养微环境对肌腱分化及修复作用的研究

摘要

肌腱韧带损伤占运动损伤的50％，但其自我修复能力差，严重影响患者的生活质量，是骨科和运动医学治疗中公认的难题。目前，临床上对肌腱损伤的治疗手段主要包括理疗、手术缝合以及组织移植，然而修复后肌腱的组织形态和功能特性与正常肌腱相差甚远，且力学性能差，伴随肌腱粘连、疤痕组织形成。因此，肌腱再生修复新手段亟待开发。
　　近年，随着干细胞与组织工程的发展，组织修复进入了再生的新阶段。然而，肌腱组织工程应用仍需要解决三个关键问题:
　　1）明确促进干细胞向肌腱系分化的物理环境;
　　2）找到体外种子细胞表型维持及肌腱系分化的调控手段;
　　3）构建生物诱导活性的三维支架。
　　因此，本论文针对待解决问题，以诱导多能干细胞为模型，开展了成体系的研究，旨在促进肌腱修复和再生。
　　本研究发现:
　　(1)程序性替换基质物理特性能将诱导多能干细胞分阶段定向分化为肌腱细胞。体外将iPSCs从MEF饲养层转移到光滑平面可以诱导iPSC分化为间充质干细胞样多能细胞(iPSC-MSCs)，该细胞在克隆形成、三系分化和表面标志物方面与MSCs极为类似。随后，将iPSC-MSCs种植在平行纳米支架上可成功被诱导向肌腱细胞分化，表达肌腱特异性基因。进一步分析发现平行支架可以通过integrin介导的力学通路促进iPSC-MSCs体外肌腱系分化并抑制其骨系分化。大鼠原位跟腱修复实验证明平行纳米支架复合iPSC-MSCs构建的组织工程肌腱对肌腱损伤修复具有促进作用。
　　(2)在追踪肌腱干细胞体外培养表型丢失的过程中发现肌腱干细胞体外培养存在连续的去分化和失功能过程，组蛋白去乙酰化在此过程中发挥了作用。在P3及以前通过HDAC（histone deacetylase）抑制剂TSA或VPA可以显著逆转Scx表达并维持肌腱干细胞的表型和功能，且此效果通过提高细胞中组蛋白乙酰化水平及抑制HDAC1/3表达起作用。
　　(3)结合以上结果构建HDAC小分子抑制剂修饰的平行纤维支架，发现该复合支架可协同调控细胞组蛋白乙酰化水平，促进肌腱干细胞腱系分化与成熟，促进肌腱再生。
　　本研究的成果和发现为肌腱组织工程的种子细胞来源、质量和诱导性生物材料提供了新的理论依据和技术手段，为肌腱损伤治疗提供了新的种子细胞和支架。

目录

声明

致谢

摘要

缩略词

绪论

1 第一章 程序性替换基质物理特性诱导人多能干细胞的阶段性分化促进肌腱再生

1．1 引言

1．2 实验试剂与仪器

1．2．1 材料和试剂(如无特殊说明均为Invitrogen产品)

1．2．2 实验仪器及材料

1．2．3 相关试剂的配制

1．3 实验方法

1．3．1 人包皮成纤维细胞(HFF)的分离和培养

1．3．2 MEF饲养层处理

1．3．3 重编程步骤方法

1．3．5 hiPSC-MSCs鉴定

1．3．6 电流法驱动的壳聚糖—聚左旋乳酸支架的制备

1．3．7 壳聚糖—聚左旋乳酸支架的特性鉴定

1．3．8 细胞在支架上种植和培养

1．3．9 细胞增殖检测

1．3．10 扫描电子显微镜观察细胞在材料上的生长和形态

1．3．11 基因表达检测

1．3．12 细胞免疫荧光

1．3．13 体内实验预染细胞—Dil

1．3．14 大鼠跟腱损伤模型

1．3．15 组织学检测

1．3．16 胶原含量测定

1．3．17 免疫组织化学

1．3．18 修复肌腱胶原纤维观察

1．3．19 力学测试

1．4．1 光滑平板诱导iPSCs获得人诱导多能干细胞来源的间充质干细胞(hiPSC-MSCs)

1．4．2 利用电流驱动的电纺丝方法制备和鉴定平行和无序纳米纤维材料

1．4．3 平行纳米纤维支架诱导hiPSC-MSCs的肌腱系分化

1．4．4 大鼠原位修复评估平行纳米纤维诱导hiPSC-MSCs肌腱分化功能和安全性

1．5 讨论

2 第二章 肌腱干细胞体外培养去分化和失功能的表观调控及干预研究

2．1 引言

2．2 实验试剂与仪器

2．2．1 材料和试剂(如无特殊说明均为Invitrogen产品)

2．2．2 实验仪器

2．2．3 相关试剂配制

2．3 实验方法

2．3．3 DNA胞嘧啶甲基化检测

2．3．4 DNA胞嘧啶羟甲基化检测

2．3．5 细胞核分离

2．3．6 细胞HDAC活性检测

2．3．7 蛋白样本准备

2．3．8 Western-blot

2．3．9 体外组织工程肌腱的制备

2．3．10 大鼠膑腱窗口损伤模型

2．4．1 肌腱干细胞体外培养发生去分化和失功能的连续变化

2．4．2 肌腱干细胞传代过程中的表观变化

2．4．3 筛选维持肌醚干细胞体补培养表型的小分子

2．4．4 TSA和VPA只能恢复较早代数肌腱干细胞中Scx表达

2．4．5 TSA和VPA对肌腱干细胞功能的影响

2．4．6 TSA和VPA对肌腱干细胞表型维持及分化的机制研究

2．4．7 TSA处理的肌腱干细胞在原位促进膑腱再生

2．5 讨论

3 第三章 表观调控活性平行支架促进肌腱分化的效应和机制研究

3．1 引言

3．2 实验试剂与仪器

3．2．1 材料和试剂

3．2．2 实验仪器及材料

3．2．3 相关溶液的配制

3．3 实验方法

3．3．1 TSA修饰平行／无序支架制备

3．3．2 支架内TSA缓释检测

3．3．3 跟腱缺损动物模型建立

3．3．4 力学测试

3．4 实验结果

3．4．1 TSA和平行纤维支架抑制细胞HDAC活性并提高干细胞肌腱相关基因表达

3．4．2 TSA修饰／无修饰的平行／无序纳米纤维电纺丝制备与材料分析

3．4．3 肌腱干细胞在TSA修饰／无修饰的平行／无序纳米纤维上的形态及增殖

3．4．4 肌腱干细胞在TSA修饰／无修饰的平行／无序纳米纤维上的分化

3．4．5 TSA修饰平行纤维提高细胞组蛋白H3和H4乙酰化，抑制HDAC1表达

3．4．6 纳米纤维支架大鼠跟腱原位修复

3．5 讨论

4．总结

参考文献

综述 肌腱损伤修复策略综述

作者简历