低聚乙二醇富马酸酯水凝胶中骨髓来源间充质干细胞的生物学行为

中国组织工程研究第20卷第16期2016–04–15出版ChineseJournalofTissueEngineeringResearchApril15,2016Vol.20,No.16ISSN2095-4344CN21-1581/RCODEN:ZLKHAH2397·研究原著·魏丽君，女，1988年生，青海省西宁市人，汉族，解放军总医院在读硕士。研究方向是骨组织工程。通讯作者：曹均凯，硕士，主任医师，副教授，解放军总医院口腔科，北京市100853中图分类号:R318文献标识码:A文章编号:2095-4344(2016)16-02397-08稿件接受：2016-03-14，曹均凯1，李俊杰2，冯兰兰2(1解放军总医院口腔科，北京市100853；2军事医学科学院基础医学研究所，北京市100850)引用本文：魏丽君，曹均凯，李俊杰，冯兰兰.低聚乙二醇富马酸酯水凝胶中骨髓来源间充质干细胞的生物学行为[J].中国组织工程研究，2016，20(16):2397-2404.DOI:10.3969/j.issn.2095-4344.2016.16.016ORCID:0000-0002-0616-3754(魏丽君)文章快速阅读：文题释义：水凝胶：是以水为分散介质的凝胶，具有网状交联结构的水溶性高分子中引入一部分疏水基团和亲水残基，亲水残基与水分子结合，将水分子连接在网状内部，而疏水残基遇水膨胀的交联聚合物。是一种高分子网络体系，性质柔软，能保持一定的形状，能吸收大量的水。凡是水溶性或亲水性的高分子，通过一定的化学交联或物理交联，都可以形成水凝胶。这些高分子按其来源可分为天然和合成两大类。天然的亲水性高分子包括多糖类(淀粉、纤维素、海藻酸、透明质酸，壳聚糖等)和多肽类(胶原、聚L-赖氨酸、聚L-谷胺酸等)。合成的亲水高分子包括醇、丙烯酸及其衍生物类(聚丙烯酸，聚甲基丙烯酸，聚丙烯酰胺，聚N-聚代丙烯酰胺等)。低聚乙二醇富马酸酯水凝胶：是由聚乙二醇和延胡索酸酯与聚乙二醇二丙烯酸酯化学交联而成，具有良好的组织相容性和生物可降解性。实验证明低聚乙二醇富马酸酯水凝胶随着相对分子质量的升高其溶胀度降增加，溶胀比增加引起水凝胶降解速度加快及力学强度减弱。故研制与筛选具有合适溶胀比的低聚乙二醇富马酸酯水凝胶材料是进行骨组织工程支架材料研究的前提。摘要背景：低聚乙二醇富马酸酯水凝胶是一种具有良好生物相容性及可注射性和可降解性的生物材料。不同相对分子质量水凝胶之间的特性有所差异，将骨髓间充质干细胞包裹其中并诱导细胞成骨分化，相对分子质量相当的水凝胶更有利于细胞增殖和分化，所以采用该材料为骨组织工程支架提供了新的选择。目的：探讨不同相对分子质量的低聚乙二醇富马酸酯水凝胶材料体外包裹大鼠骨髓间充质干细胞的增殖和分化的影响。方法：低聚乙二醇富马酸酯通过氧化还原基团引发系统产生交联，制备出相对分子质量为1000，3000，10000，35000的低聚乙二醇富马酸酯水凝胶，对水凝胶的溶胀和降解性能进行检测。将骨髓间充质干细胞包裹到4种相对分子质量的水凝胶中，在成骨培养液中诱导1-3周，通过组织学染色(苏木精-伊红染色和茜素红染色)和免疫荧光染色检测水凝胶材料对骨髓间充质干细胞形态的影响以及成骨分化的效果。低聚乙二醇富马酸酯水凝胶如何能够保持良好的生物相容性?相对分子质量为1000、3000、10000、35000的低聚乙二醇富马酸酯出生24h内的SD大鼠不同相对分子质量低聚乙二醇富马酸酯水凝胶大鼠骨髓间充质干细胞表型分化培养成胶时间溶胀性降解性毒性实验低聚乙二醇富马酸酯/骨髓间充质干细胞复合物成脂分化成骨分化苏木精-伊红染色茜素红染色免疫荧光染色骨髓加骨片培养法化学交联成骨诱导(3，7，14，21d)魏丽君，等.低聚乙二醇富马酸酯水凝胶中骨髓来源间充质干细胞的生物学行为P.O.Box10002,Shenyang110180’sdegree,DepartmentofStomatology,ChinesePLAGeneralHospital,Beijing100853,ChinaCorrespondingauthor:CaoJun-kai,Master,Chiefphysician,Associateprofessor,DepartmentofStomatology,ChinesePLAGeneralHospital,Beijing100853,China结果与结论：①随着水凝胶相对分子质量的增加，成胶时间变短，凝胶的溶胀度明显增加，且随着时间的推移，水凝胶的降解速率与相对分子质量成正比；②细胞复合水凝胶支架材料的组织学与免疫荧光染色结果表明，细胞经过诱导后，在具有适当溶胀与降解特性的相对分子质量为3000与10000的水凝胶中所形成的矿化结节数量显著多于在其它两种相对分子质量中的，说明有利于细胞的增殖与分化；③结果表明，低聚乙二醇富马酸酯水凝胶具有良好的生物相容性，且相对分子质量为3000与10000的水凝胶对间充质干细胞的成骨分化有一定的良性调节作用。关键词：生物材料；骨生物材料；水凝胶；聚合作用；间充质干细胞；成骨分化；Ⅰ型胶原；增殖；矿化作用；国家自然科学基金主题词：凝胶类；间质干细胞；组织工程基金资助：国家自然科学基金(31271054)Biologicalbehaviorofratbonemarrowmesenchymalstemcellsinoligo(poly(ethyleneglycol)fumarate)hydrogelWeiLi-jun1,CaoJun-kai1,LiJun-jie2,FengLan-lan2(1DepartmentofStomatology,ChinesePLAGeneralHospital,Beijing100853,China;2InstituteofBasicMedicine,AcademyofMilitaryMedicalSciences,Beijing100850,China)AbstractBACKGROUND:Oligo(poly(ethyleneglycol)fumarate)(OPF)hydrogelisakindofbiomaterialwithgoodbiocompatibility,injectability,andbiodegradability.Itisknownthattherearedifferencesinthecharacteristicsofhydrogelswithdifferentmolecularweights.Underosteogenicinduction,bonemarrowmesenchymalstemcellsencapsulatedinthesuitablemolecularweighthydrogelhavebetterproliferationanddifferentiation.Therefore,theuseofOPFhydrogelprovidesnewoptionsforbonetissue-engineeredscaffold.OBJECTIVE:ToinvestigatetheeffectofOPFhydrogelwithdifferentmolecularweightsontheproliferationanddifferentiationofencapsulatedratbonemarrowmesenchymalstemcellsinvitro.METHODS:FourkindsofOPFhydrogelswithmolecularweightsof1000,3000,10000and35000weredevelopedbyOPFcrosslinkingwitharedoxradicalinitiationsystem.Hydrogelswellinganddegradationpropertiesweredetected.Afterwards,bonemarrowmesenchymalstemcellsencapsulatedindifferenthydrogelswereculturedinosteogenicmediumfor1-3weeks.Theeffectsofhydrogelsonmorphplogyofbonemarrowmesenchymalstemcellsandosteogenicdifferentiationweredetectedviahistologicalstaining(hematoxylin-eosinstainingandalizarinredstaining)andimmunofluorescencestaining.RESULTSANDCONCLUSION:Withtheincreaseofmolecularweightofhydrogels,thegelationtimewasshortened,theswellingratiosignificantlyincreased,andthehydrogeldegradationratewasproportionaltothemolecularweight.Inaddition,thenumberofmineralizednodulesformedin3000and10000molecularweighthydrogelswasmorethanthatintheotherhydrogels,indicatingthathydrogelswithappropriateswellinganddegradationpropertiesarebeneficialtocellproliferationanddifferentiation.Inconclusion,OPFhydrogelshavegoodbiocompatibilityandhydrogelswith3000and10000molecularweightplayactiveregulatoryrolesinosteogenicdifferentiationofmesenchymalstemcells.Subjectheadings:Gels;MesenchymalStemCells;TissueEngineeringFunding:theNationalNaturalScienceFoundationofChina,No.31271054Citethisarticle:WeiLJ,CaoJK,LiJK,FengLL.Biologicalbehaviorofratbonemarrowmesenchymalstemcellsinoligo(poly(ethyleneglycol)fumarate)hydrogel.ZhongguoZuzhiGongchengYanjiu.2016;20(16):2397-2404.0引言Introduction由于肿瘤切除、先天性疾病、感染及外伤等导致的骨损伤常常会导致骨缺损，而至今骨缺损的修复仍是临床上的难题之一[1]。自体骨移植是修复骨缺损的金标准，但是存在供体骨来源有限以及易造成取骨部位发生病变的问题[2-3]。随着骨组织工程研究的应用及发展，为人工修复骨缺损提供了一种新的途径[4-7]。低聚乙二醇富马酸酯水凝胶作为支架材料，有其独特的性质，其良好的魏丽君，等.低聚乙二醇富马酸酯水凝胶中骨髓来源间充质干细胞的生物学行为ISSN2095-4344CN21-1581/RCODEN:ZLKHAH2399生物相容性、可降解性以及可注射性[8]，并能够携带多种细胞与生物活性因子进行体内移植，已广泛应用于骨、软骨、角