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还在减肥吗?快停!脂肪并不是“废物”! 精选

已有 5051 次阅读 2017-1-6 09:31 |个人分类:科学书摘|系统分类:科研笔记|关键词:脂肪源性干细胞 刘民培 陶凯 刘晓燕 科学出版社 脂肪 减肥 科学

以往曾认为,脂肪只是一种保温、储存能量和具有缓冲保护等作用的组织。而且,几年前当提到脂肪干细胞时,有人还很惊讶地说:“啊!脂肪还有干细胞?!”这些都可能与过去在减肥等时候,人们把获取的脂肪认为是一种“废物”弃而不用等传统认识存在的一些盲区有关。

近年来,研究显示脂肪不仅是一种具有多种生物学特性及生理学功能的组织,而且,其中的干细胞具有良好的多向分化潜能及高度自我更新的能力。脂肪组织丰富,在吸取时对机体伤害小,取材方便。这些都为脂肪及其干细胞的有效利用提供了有利条件。


脂肪源性干细胞(ADSC)一般简称为脂肪干细胞,它不仅大量存在于脂肪组织中,来源丰富,而且可诱导分化成各种细胞发挥其功能。近年来,研究表明ADSC 是细胞治疗中理想的细胞来源之一,并可能成为再生医学领域重要的种子细胞。目前,国内外均已对其基础理论和临床应用等进行了广泛、深入的研究。这些研究显示ADSC 在细胞治疗、组织工程及基因治疗等多种领域具有广阔的应用前景,而且,可能为人类相关疾病的治疗带来无限希望。


脂肪源性干细胞的多向分化潜能

体外或体内适宜条件下,ADSC 可诱导分化为成骨细胞、成软骨细胞、脂肪前体细胞、心肌细胞、神经样细胞、骨骼肌细胞、内皮细胞、平滑肌细胞,上皮细胞、表皮细胞、肝样细胞及胰岛样细胞等不同来源的细胞。


1

ADSC 向脂肪细胞的分化


在ADSC 基础培养液中加入异丁基甲基黄嘌呤、地塞米松、胰岛素和吲哚美辛诱导分化后2 周,油红O 染色可见部分ADSC 胞质内充满脂滴并逐渐增多融合,占胞质体积的90% ~ 98%。此种分化细胞形态与成熟脂肪细胞极其相似,具备脂解- 抗脂解能力等成熟脂肪细胞重要特性。外源性添加碱性成纤维细胞生长因子(basic fibroblast growth factor,bFGF) 和糖皮质激素可明显促进ADSC增殖,同时刺激其向脂肪细胞分化,增加脂肪细胞特异性甘油磷酸脱氢酶(glycerol phosphate dehydrogenase,GPDH) 和瘦蛋白的表达。通过支链DNA 技术的研究发现,分化的ADSC 可表达脂肪细胞特有基因表达产物——脂肪酸结合蛋白。这些研究均证实,ADSC 具有向脂肪细胞分化的潜能。


2

ADSC 向软骨细胞的分化


在ADSC 培养液中加入胰岛素、转化生长因子-β(TGF-β)、干扰素和维生素C 进行诱导,可见细胞分化形成明显的软骨结节,并表达软骨细胞的标志物:Ⅱ型胶原、硫酸软骨蛋白-4 和硫酸角质蛋白。逆转录- 聚合酶链反应(reverse transcription-polymerase chain reaction,RT-PCR)的检测亦证实,在其分化细胞上同样可出现Ⅱ型胶原和软骨特异性蛋白聚糖基因的表达。将ADSC 置于藻酸盐培养体系中,经成软骨细胞定向诱导2周后发现,有大量合成的Ⅱ型胶原、Ⅳ型胶原及硫酸软骨蛋白。将诱导后细胞与藻酸盐复合物植入裸小鼠皮下,12 周后发现软骨样组织形成。免疫组织化学显示,软骨特异性细胞外基质成分合成明显增多。


这些研究证实,ADSC 具有向软骨细胞分化的潜能,并显示出原始软骨组织的特征。因此,其有望成为软骨组织工程的种子细胞。从MSC 与ADSC 基因水平的比较数据显示,尽管两种细胞在形态学和组织学上的分化能力相似,但在成软骨细胞诱导前后其基因表达有一定差别,尤其接种到3D 材料后,发现MSC 向软骨细胞的分化能力明显高于ADSC。因此,ADSC向软骨细胞的分化能力及诱导因素尚有待进一步研究。


3

ADSC 向成骨细胞的分化


在ADSC 基础培养液中加入地塞米松、维生素C、β-甘油磷酸钠,向成骨方向诱导4 天后,其结构从类成纤维细胞形态变为圆形、立体状结构。诱导7 天后,分化细胞分泌岛状细胞外基质。2 周后约50% 的细胞表达ALP 呈阳性,钙化斑出现,ALP 的活性可持续到培养的第175 天。不同浓度的生长因子对其分化能力有较大影响。研究表明,加入1ng/ml 的bFGF时ADSC 易于向成骨细胞分化,而添加1000ng/ml 时易于向脂肪细胞分化。目前,这种相关机制尚不清楚,有待进一步研究。将ADSC 接种于聚乳酸-聚羟基乙酸共聚物(PLGA) 支架上用于修复小鼠的颅骨缺损。12 周后X 线显示,整个缺损区有骨桥形成。与其他种子细胞相比ADSC 具有同样的成骨及修复骨缺损的能力,且无需进行基因改造和添加外源性生长因子。因此,ADSC 有可能作为一种新的自体成骨源性细胞,用于组织工程骨修复和再生。


4

ADSC 向骨骼肌细胞的分化


在ADSC 基础培养液中加入地塞米松、氢化可的松,诱导6 周后,通过结构学、组织学和RT-PCR 的分析发现,其肌源性决定因子-Ⅰ (myogenic determination factor-ⅠMyoD-Ⅰ ) 和肌球蛋白重链均有表达。MyoD-Ⅰ表达先于肌球蛋白重链,是ADSC 分化过程中最早出现的标志基因,这可用于鉴定肌源性细胞前体。研究结果显示,约15%的ADSC 于诱导6 周后向肌细胞分化。用腺病毒介导的LacZ 基因标记自体ADSC,移植于受损胫骨前肌处,15 天后发现,再生肌纤维中β- 半乳糖苷酶阳性,提示ADSC 可参与肌纤维的再生。2 个月后损伤处肌组织体积明显增大,肌张力也明显增强,与肌卫星细胞移植所产生的肌再生效应相似。骨骼肌组织工程主要用于治疗原发性骨骼肌病变及因创伤、缺血继发的骨骼肌丧失,对于这类疾病目前尚无特效治疗。尽管ADSC 向肌细胞分化水平较低,但通过改善培养条件及外源性因素的诱导,有望提高ADSC 分化水平,提高其临床应用价值。


5

ADSC 向心肌细胞的分化


在RPMI 为基础的培养液中,加入5- 氮杂胞苷诱导培养2 周后,ADSC形成圆形外观,3 周后出现自发搏动。2 个月后免疫组织化学染色显示,肌球蛋白重链、α- 肌动蛋白和肌钙蛋白阳性。用大鼠心肌细胞提取液诱导人ADSC 向心肌细胞分化,分化细胞出现双核、横纹、肌小节等结构;结蛋白、肌钙蛋白、缝隙连接蛋白表达阳性,同样也能观察到自发性搏动细胞。这些研究表明,体外心肌微环境作用下,ADSC可向心肌细胞分化。但目前关于这种诱导后的细胞能否在体内存活、分化,并发挥心肌细胞功能尚存争议。


6

ADSC 向内皮细胞的分化


在以M199/2%FBS 为基础的培养液中,加入血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF) 及bFGF,体外培养48h 后观察到分化细胞网格样结构形成,并表达CD31、CD34、CD144 及eNOS 等内皮细胞特有的抗原。而且,ADSC 注射到缺血部位后通过自分泌和旁分泌VEGF、肝细胞生长因子(HGF)、成纤维生长因子(FGF)、胎盘生长因子(PGF)、转化生长因子(TGF)、血管生成蛋白-1 等血管新生和抗凋亡因子,可促进新生血管形成,并抑制细胞凋亡。


7

ADSC 向神经细胞的分化


ADSC 体外经丁基羟基茴香醚、二甲基亚砜(DMSO)、维A 酸、福斯高林等诱导后,可分化为神经样细胞。诱导分化5h 后,细胞形态发生明显变化。细胞质以细胞核为中心收缩并向两侧延长,细胞体缩小逐渐成为球形,并形成细胞突起,类似神经细胞核周外形。经免疫细胞化学及蛋白质印迹(Western blotting) 检测证实,该细胞可表达巢蛋白和神经元特异性核蛋白(neuron-specific nuclear protein,NeuN),提示ADSC 在一定条件下具有向神经元分化的能力。进一步研究发现,在诱导分化的同时,应用表皮生长因子(EGF) 和FGF 更易诱导ADSC 向神经样细胞分化,而且,可导致细胞骨架改变,出现与神经细胞更相似的核及细胞形态。电子显微镜的观察结果亦表明,多极细胞的细胞体和突起具有更多的微管和肌动蛋白丝结构,未诱导的ADSC则未发现这些变化,提示多极细胞已具有神经元的特征。


众多研究表明,经神经营养因子(NTF) 等体外预处理后可明显促进ADSC 的生存及分化。在中枢神经系统损伤时,各种内外源性生长因子、细胞因子等相互作用,通过特定的信号转导途径活化相关转录因子,是促进ADSC 向神经细胞分化的重要因素。然而,在定向诱导分化中基因表达的变化及信号转导的精确机制,诱导分化的神经细胞能否与宿主神经元建立联系、产生神经递质、传递兴奋等目前尚无确切证据,有待进一步探讨证实。


8

ADSC 向表皮样细胞的分化


用全反式维A 酸(ATRA) 诱导ADSC,可分化为表达角蛋白的表皮样细胞。用30% 皮肤匀浆条件培养液诱导ADSC,可分化为高表达细胞角蛋白19(CK19) 和CK10的表皮样细胞。通过诱导ADSC 分化的表皮样细胞,可用于创面的修复。


9

ADSC 向肝细胞的分化


用HGF 和抑瘤蛋白(OSM) 与DMSO、FGF1、FGF4 和地塞米松等组合成不同诱导方案,可使长梭形的ADSC 分化为圆形的上皮样肝细胞。曲古抑菌素(TSA) 也可诱导ADSC 分化为肝细胞样细胞。肝细胞样细胞表达的如尿素、清蛋白、细胞色素氧化酶、肝细胞核因子、甲状腺激素结合蛋白(TTR)、CK18、多抗药相关蛋白-2 和CCAT-增强子结合蛋白α(C/EBPα) 等特异分子,并具有摄取低密度脂蛋白的功能。研究表明,将ADSC 直接移植或预诱导为肝细胞后,移植到四氯化碳(CCl4) 诱发肝损伤模型的小鼠体内发现,其移植细胞存活,并分化为肝细胞发挥修复作用,同时可降低实验小鼠的血氨和转氨酶水平。


10

ADSC 向胰岛细胞的分化


ADSC 表达干细胞标志物ABCG2 和胰岛发育转录因子,用含活化蛋白、HGF 和五肽促胃酸激素的诱导液处理3 天后,ABCG2 表达下调,而胰岛发育转录因子和胰岛素、胰高血糖素和生长抑素等相关基因的表达上调。这些提示,ADSC 具有向胰岛内分泌细胞分化的潜能。用20ng/ml EGF 预诱导兔ADSC 24h,再用胰高血糖素样多肽和烟酰胺继续诱导后发现,长梭形ADSC 的胞体收缩、突起变短、胞体变小,相邻细胞逐渐形成集落,二硫腙染色呈砖红色阳性,并检测到胰岛素的分泌。在用胰腺提取物诱导ADSC 时,可分化为胰岛内分泌细胞。将pdx-1 基因导入ADSC,诱导其向胰岛细胞分化,移植到链霉素诱发的1 型糖尿病大鼠,在其肾包膜下观察到有分泌胰岛素的细胞形成,并可降低血糖、增加糖耐受、减少糖尿病性白内障的发生。


ADSC 除可以分化为上述细胞外,还可以在特定诱导条件下分化为平滑肌细胞、真皮成纤维细胞等。




本文摘编自刘民培、陶凯、刘晓燕主编《脂肪源性干细胞(北京:科学出版社,责任编辑杨小玲、马晓伟,2017.1)前言及第五章内容,略有删节改动。




ISBN:978-7-03-049987-5


《脂肪源性干细胞》是国内首次出版发行的有关脂肪源性干细胞(ADSC)研究的专著,共计3篇51章,分别对ADSC的基础理论、实验研究的相关技术、临床各专业学科的应用研究,以及其应用的政策法规和产业化等进行了全面系统的介绍和论述。文后附常用试剂的配制方法及常用缩略词英汉对照。


全书内容新颖、丰富,理论与实际结合,突出前瞻性、系统性和实用性。可供ADSC基础和临床专业研究、细胞移植治疗、转基因及治疗、组织工程和再生医学的研究人员、本科生和研究生,以及从事细胞生物学、干细胞及哺乳动物研究等的人员阅读和实验参考。


(本文责编:李文超)


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