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多聚赖氨酸表面改性后同种异体骨的骨传导能力研究

更新时间:2016-07-05

骨传导是同种异体骨的重要功能,即同种异体骨植入受体骨缺损区后,受体的破骨细胞、成骨细胞、毛细血管等细胞和组织可长入其三维孔隙中,爬形替代后形成新骨[1-2]。然而,当前骨移植所使用的同种异体骨的骨传导能力不强,在受体内难以产生较多的新骨,并且长期不能被吸收,不能完全满足临床的需要[3]。究其原因,是因为其微孔表面对细胞的亲和力不强,宿主的细胞难以在其表面贴附、增殖、分化,毛细血管等组织难以长入[4]。本研究就同种异体骨经多聚赖氨酸表面改性后,其在体内、体外的骨传导能力的变化作一探讨。

1 材料与方法

1.1 材料 20只新西兰大白兔(南京清龙山实验动物中心);兔同种异体骨(第四军医大学西京骨科医院骨库);左旋多聚赖氨酸(相对分子质量为150 000~300 000,Sigma,美国);DMEM培养基、D-Hank′s液、转化生长因子-β2(TGF-β2)(Gibico,美国);胎牛血清(杭州四季青生物工程材料有限公司);戊巴比妥(军事医学科学院);胰蛋白酶、地塞米松、L-抗坏血酸(Sigma,美国);ITS(其中含有牛胰岛素、转铁蛋白、亚硒酸钠,Sigma,美国);丙酮酸钠、ALP活性测定试剂盒(上海化学试剂集团);β-甘油磷酸钠(Sigma,美国);50 mL一次性塑料培养瓶、6孔培养板(Coster,美国);CO2恒温培养箱(Hereus,德国);超净工作台(苏州安泰空气技术有限公司);倒置相差显微镜(Zeiss,德国);扫描电子显微镜(Hitachi,日本);冷冻干燥机(Alpha 2-4 Chaist,德国);酶联免疫检测仪(Sunrise,瑞士);螺旋CT(Siemens,德国)。

1.2 方法

咨询公司的做法确有不妥。从您的介绍来看,若您所述属实,那么根据《企业职工带薪年休假实施办法》中第三条“职工连续工作满12个月以上的,享受带薪年休假”的规定,您今年可以享受带薪年休假。但现在的问题是:您得证明自己已连续工作1年以上。

1.2.1 兔同种异体骨的表面改性 将取自兔椎体松质骨的同种异体骨切割成边长为3 mm的立方体,然后于3%的多聚赖氨酸溶液内振荡2 h,使溶液充分浸透同种异体骨的微孔表面。取出置于6孔培养板内,-20 ℃下预冷2 h,-80 ℃下冷冻1 h,转移至冷冻干燥机中干燥24 h。20 kGy Co 60辐照灭菌,4 ℃条件下密封保存。

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1.2.6 测定2组同种异体骨内黏附细胞所表达的碱性磷酸酶(ALP)的活性 于培养、诱导第3、6、9和12天,每次2组分别随机取出8个标本。D-Hank′s液漂洗后,依次添加ALP活性测定试剂盒内试剂。使用酶标仪在520 nm波长处测定A值,代表细胞ALP的活性。

当前GPON/XG(S)-PON技术存在上行转发时延过长的问题,主要原因是:PON数据依照125 us周期进行传输,一般DBA调度在4个周期左右。考虑到数据包分片,如果不做特殊处理,上行时延将达到1 ms,这样不能满足5G回传对接入段最低数百微秒的时延要求。同时,ONU开窗发现需要PON下面所有ONU在较长时间内停止数据传输,导致时延达到数个毫秒以上,从而使得时延和抖动更加恶劣。NG-PON技术将在数据转发延迟和ONU开窗发现这2个方面做深入优化,满足5G回传的要求。

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1.2.8 2组桡骨缺损处新生骨螺旋CT扫描 于术后1、2、3和4个月分次取材,每次处死5只兔。将尺桡骨做好分组标记,以4%多聚甲醛固定3 d,然后将标本置于螺旋CT内进行扫描。扫描完成后,以桡骨缺损修复区为中心,选取直径2 cm、高度5 cm的圆柱形区域作为兴趣区(region of interest,ROI),进行精细三维重建,并观察三维重建影像。

采用分层整群抽样,于2014年3—10月针对新疆维吾尔自治区高等院校、职业院校的男护生展开调查,包括新疆医科大学护理学院、石河子大学护理学院、现代职业技术学院、阿克苏职业卫校、塔城卫校、喀什卫校等。其中汉族男生138名,维吾尔族112名,回族11名,哈萨克族6名,其他民族8名;中专生75名,大专生115名,本科生85名。

1.2.2 兔骨髓基质干细胞(BMSCs)的分离和扩增 麻醉、消毒后,持20 mL无菌注射器从2.5 kg新西兰大白兔的一侧股骨大粗隆处抽取0.5 mL骨髓,置于低糖DMEM培养基(10%胎牛血清)的50 mL培养瓶中,37 ℃、5% CO2培养箱内培养。以全骨髓贴壁法提纯BMSCs,3 d后进行首次全量换液,去除未贴壁的细胞。此后每2~3 d半量换液1次,待细胞达80%~90%融合时消化传代。

1.2.7 2组同种异体骨植入兔桡骨骨缺损处 距离上次抽取骨髓约5周左右,兔再次被麻醉。消毒、铺无菌巾后,于双侧前臂桡侧中段作一长约1.5 cm的纵切口,逐层切开皮肤、皮下组织、深筋膜,钝性分离肌肉,显露桡骨中段。钝性分离并保留骨膜,剪除1 cm长桡骨干。仔细检查细胞与兔编号,将结合自体向成骨细胞诱导的BMSCs的实验组同种异体骨回植于左侧桡骨缺损处,对照组回植于右侧。逐层缝合深筋膜、皮肤,术毕。实验兔清醒后,笼内自由活动。20只兔的40个桡骨被平均分在实验组与对照组中。

1.2.4 扫描电镜(SEM)观察细胞在同种异体骨内黏附和增殖的情况 于培养的第 3、9和15天,每次2组各自随机取出2个标本。经2.5%的戊二醛、1%锇酸先后固定,利用乙醇依次梯度脱水,接着使用乙腈依次置换出乙醇,然后在真空内干燥。在同种异体骨与细胞表面喷金后,放置于SEM内,观察细胞在同种异体骨微孔表面贴附与增殖情况。

1.2.5 检测2组同种异体骨内细胞增殖的情况 于培养、诱导的第3、5、7、9、11、13、15和17天,每次2组各自随机取出10个标本,PBS液分别轻柔漂洗3遍,以清除同种异体骨内未贴附的细胞。然后,采用MTT法检测BMSCs增殖的情况。以时间为横轴、吸光度(A)值为纵轴,绘制细胞生长曲线。

1.3 统计学方法 采用t检验。

2 结果

2.1 BMSCs在2组同种异体骨微孔表面的贴附、增殖情况的SEM观察 在BMSCs种植于2组同种异体骨微孔表面并培养的第3、9和15天,使用SEM观察BMSCs在微孔表面贴附、增殖情况(见图1)。培养后的第3天,细胞已完全平铺,同时伸出长长伪足附着在微孔表面,实验组同种异体骨微孔表面的细胞数目明显大于对照组(见图1 A、D);培养后的第9天,2组细胞数量均增多,而实验组增加更明显(见图1B、E);培养后的第15天,实验组细胞之间发生接触抑制,数量难以增加,近于铺整个满微孔表面,而对照组的细胞数量显著少于实验组(见图1C、F)。

2.2 BMSCs在2组同种异体骨微孔表面增殖情况 根据MTT实验结果绘制的细胞生长曲线显示:从诱导、培养的第3天至第17天,BMSCs在2组同种异体骨微孔表面的数量均持续上升,至第11天左右时增殖速度减缓,第15天左右时进入平台期,生长曲线呈抛物线样。BMSCs在实验组同种异体骨内增殖迅速,细胞数量较多。而对照组的BMSCs增殖缓慢,在每个时间点上的数量均明显少于对照组,2组差异有统计学意义(P<0.01)(见图2)。

1 2组同种异体骨微孔表面的BMSCs增殖情况

分组n3d5d7d9d11d13d15d17d实验组80.138±0.0620.229±0.0400.289±0.0360.329±0.0460.371±0.0540.387±0.0460.397±0.0400.399±0.032对照组80.035±0.0200.072±0.0230.104±0.0470.132±0.0380.159±0.0430.175±0.0490.192±0.0570.195±0.062t—4.489.624.674.113.784.314.515.26P—<0.01<0.01<0.01<0.01<0.01<0.01<0.01<0.01

2.4 2组桡骨缺损处新生骨螺旋CT扫描结果 于术后1、2、3和4个月,对2组桡骨缺损处新生骨进行螺旋CT扫描并三维重建(见图2)。术后1个月,实验组桡骨缺损处所植入的同种异体骨有轻度的吸收,并有少许新骨形成(见图3A);而对照组的同种异体骨被吸收的较多(见图2E)。术后2个月,2组桡骨缺损处所植入的同种异体骨均被大部分吸收,实验组有较多的新生骨形成,基本上填充了骨缺损区,而对照组无明显的新生骨形成(见图2B、F)。术后3个月,2组同种异体骨均完全被吸收,实验组形成了骨痂将两骨折断端相连(见图2C);而对照组骨缺损区仍呈骨缺损状(见图2G)。术后4个月,2组同种异体骨被完全吸收,实验组骨痂塑形改造,完全修复了骨缺损区(见图2D);而对照组骨缺损区无修复迹象,呈骨不连的表现(见图2H)。

2 BMSCs在微孔表面培养与诱导后表达的ALP活性比较

分组n3d6d9d12d实验组80.0836±0.00520.1162±0.03350.3809±0.00370.4174±0.0410对照组80.0691±0.00310.1017±0.07440.1504±0.00520.1636±0.0294t—6.770.5055.796.00P—<0.01﹥0.05<0.01<0.01

2.3 BMSCs在2组同种异体骨内培养与诱导后所表达的ALP活性的比较 BMSCs所表达的ALP活性的结果表明:2组细胞经过成骨诱导液培养后,所表达的ALP的活性逐渐增加。实验组在第6天时ALP活性值与对照组差异无统计学意义(P>0.05);而在第3、9、12天时,实验组的ALP活性值均明显高于对照组(P<0.01)(见表2)。

1.2.3 BMSCs种植于同种异体骨内并进行诱导、培养 将第3代BMSCs置于成骨培养基(含10-8 mol/L地塞米松、50 mg/L L-抗坏血酸、10 mmol/L β-甘油磷酸钠和10%胎牛血清的高糖DMEM)内,制成密度为1×107个/mL的细胞悬液。将BMSCs悬液接种在同种异体骨内,最终控制接种的细胞数量为2×104个/块左右。然后置于细胞培养箱中孵育4 h,再添加成骨培养基,此后每2~3 d半量换液1次。

3 讨论

组织工程骨支架是受体细胞生长与增殖的载体,细胞通过静电吸引、分子间范德华力、阴阳离子交联等方式,在支架材料的微孔表面进行黏附,进而扩增与分化。对支架材料进行表面改性,以增强其对细胞的亲和力,是提高骨组织工程支架的骨传导性的主要手段之一,有学者[5-7]使用诸多方法在若干动物实验中获得了一定的成功。然而,目前临床上所使用的同种异体骨均未经过表面改性,骨传导性不强,在许多病例中难以完成受体骨缺损区修复的任务[8]。因此,对同种异体骨进行表面改性具有十分重要的意义。

细胞实验中所使用的细胞培养瓶(板)、玻片的表面,均经过涂抹多聚赖氨酸的处理,能大大提高其对细胞的亲和力[9-11]。受此启发,为提升同种异体骨的骨传导性,本实验采用冻干法将多聚赖氨酸均匀地覆盖在同种异体骨微孔表面,以对其进行表面改性,目的是在微孔表面构建一个有利于细胞附着的局部微环境,从而有利于细胞的增殖与分化。

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本研究中,SEM观察和MTT实验检测2组细胞的结果显示:BMSCs在接受了多聚赖氨酸表面改性的实验组同种异体骨微孔表面上贴附、增殖的数量明显多于对照组;ALP活性测定试剂盒检测结果显示,诱导、培养9 d后,实验组BMSCs所表达的ALP活性明显高于对照组;2组桡骨缺损处新生骨的螺旋CT三维重建结果表明,实验组桡骨缺损处的修复情况明显优于对照组。提示使用多聚赖氨酸对同种异体骨表面改性,能大大促进BMSCs在其微孔表面进行黏附、增殖和分化,显著提升其骨传导性。

多聚赖氨酸对同种异体骨进行表面改性的作用机制,分析可能是以下几点:(1)其残基所带的多种阳离子,与细胞表面的部分阴离子发生交联作用,可利于细胞在其表面的黏附[12];(2)多聚赖氨酸覆盖在同种异体骨微孔表面后,使微孔表面呈正电荷状态,能通过静电吸引的作用,促进细胞在微孔表面黏附[13];(3)多聚赖氨酸所具有胺基、羟基等,能吸附血清中层黏蛋白、糖胺聚糖和纤维黏连蛋白等,可增强异体骨微孔表面的亲水性,从而利于细胞的黏附[14-15];(4)多聚赖氨酸能稳定细胞外基质,促进细胞的生长和分化[16-17]

本研究中,未发现有明显的细胞凋亡现象;在动物体内实验中,未发现有动物死亡以及其他并发症出现,提示经多聚赖氨酸表面改性后的同种异体骨植入受体后,对受体的细胞与机体无害。此外,此表面改性的方法与步骤较简单,成本低廉,大多数科研院所均可操作。本研究证明,使用多聚赖氨酸对同种异体骨进行表面改性后,同种异体骨的骨传导性能够得到显著提升,为提高同种异体骨治疗骨缺损的效果提供了坚实的理论与实验基础。

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笪虎,陈伟
《蚌埠医学院学报》2018年第4期文献

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