内皮祖细胞移植改善缺血小鼠肌肉再生的扩散张量成像先生

文摘

内皮祖细胞(epc)在修复缺血组织中发挥重要作用。扩散张量成像(DTI)应用于检测骨骼肌的结构组织。本研究调查的可行性和准确性使用DTI评估内皮祖细胞治疗的有效性。老鼠骨骨髓来源的内皮祖细胞分离、培养特点,移植到小鼠后肢缺血模型。DTI进行下肢postischemia时间点。扩散限制的水肿区(高信号扩散加权成像)减少缺血性肌内皮祖细胞治疗小鼠后14天与控制。这些结果从DTI显示低表观扩散系数和特征值(λ1,λ2,λ3)和更高的分数各向异性和缺血性肌肉纤维数量7和14天内皮祖细胞治疗后相比,控制。纤维数量有显著相关性计算DTI和生存纤维评估组织切片(,)。我们的研究表明,内皮祖细胞移植后肌肉纤维再生的时间明显缩短在活的有机体内。DTI可以是一个有用的工具的无创性评价肌肉组织损伤和修复在动物模型和患者缺血性疾病。

1。介绍

有证据的增加与年龄相关的在美国开始下肢外周动脉疾病(1]。缺血后炎症反应、细胞凋亡和坏死发生在局部组织(2,3),然后肌肉活化再生后的肌原性的细胞如果血管再生可以建4]。

近年来,已经有越来越多的兴趣,利用干细胞和分化的祖细胞治疗方法严重缺血性冠状动脉和外周动脉疾病患者不参与血管再生过程(5- - - - - -7]。1999年,首次报道,骨骨髓来源的内皮祖细胞(epc)导致缺血组织的血管新生8]。内皮祖细胞移植到缺血组织和器官并不总是参与neovessels形成而产生各种proangiogenic细胞因子和生长因子,促进增殖和迁移的先前存在内皮细胞(9- - - - - -11]。然而,背景患者疾病,如老化、糖尿病、高胆固醇血症、高血压、吸烟,可以减少循环的数量和功能/ BM内皮祖细胞(9]。在我们之前的研究中,糖尿病患者内皮祖细胞的细胞因子分泌功能显著下降而正常细胞(12]。基于干细胞的策略将期望改善当前的疗法。

最近的研究表明,扩散张量成像(DTI)可能检测骨骼肌再生的架构或重建左心室缺血损伤后内皮祖细胞注射后(13,14]。DTI观察到水的自由扩散组织是限制膜和其他细胞成分在生理或病理条件下,这是依赖于方向的细长结构,如神经纤维和肌肉纤维。取向的依赖是通过测量至少六个方向的扩散和弥散张量特征值(λ1,λ2,λ3)可以计算出,这代表了三维特征(15]。除了扩散椭球的离心率的评估分数各向异性(FA),肌肉纤维被纤维tractography可视化。和表观扩散系数(ADC)显示扩散室的大小。

在目前的研究中,我们集中在两个目标:(1)检查是否心脏内的移植骨骨髓来源的内皮祖细胞促进组织复苏后下肢缺血和(2)来演示的可行性和准确性在活的有机体内DTI在肌肉纤维再生的评价与后肢缺血小鼠模型。

2。材料和方法

2.1。隔离和内皮祖细胞的文化

所有动物实验机构批准的动物保健和使用委员会东南大学医学院(通过ID: syxk - 2010.4987)。内皮祖细胞是孤立的胫骨和股骨的还是男性C57BLKS / J小鼠(中国科学院上海实验动物中心)如前所述[16]。六个老鼠与吸入异氟烷麻醉(1.0 - -1.5%、科源,山东、中国)然后被颈椎错位。吸气骨髓混合肝素(100 U /毫升,肝素钠,上海第一生化制药有限公司,有限公司,中国)在磷酸盐(PBS、博士德生物技术有限公司,中国)。单核细胞分数来自于一位Lymphoprep密度梯度(人类淋巴细胞分离介质,HaoYang生物制造有限公司,天津,中国)离心后(400 g, 25分钟;美国圣路易斯Sigma-Aldrich)。单核细胞分数收集、清洗和离心机。收集细胞颗粒悬浮在生长因子补充EBM-2(瑞士Lonza)和镀在纤连蛋白(Sigma-Aldrich、圣路易斯、钼)涂布烧瓶(纽约康宁Inc .)。4天后在文化、不依从细胞被洗了PBS。文化是通过维护天7 - 10。纺锤状细胞观察后4天。 EPCs were collected for further experiments after 15 days.

2.2。内皮祖细胞表型的评估

内皮祖细胞是主要的特点是使用相差显微镜评估形态。评估EPC殖民地的内皮细胞表型,细胞被孵化与acLDL-Dil(英杰公司公司,卡尔斯巴德,CA)稀释25毫克/毫升浓度的培养基4 h 37°C。分析了凝集素结合使用异硫氰酸荧光素(FITC)共轭UEA-1-lectin(英杰公司公司)。细胞被荧光显微镜下检查(德国蔡司)。免疫细胞化学是用于分析各种祖和内皮细胞的表达谱系标记(17- - - - - -19),包括CD34(圣克鲁斯生物技术公司,圣克鲁斯,CA), CD133 (Abnova公司、台湾),和趋化因子受体CXCR4 (Abcam生化,剑桥,英国)。细胞核染色有4′,6-diamidino-2-phenylindole (DAPI, Beyotime生物技术研究所、海门、中国)。Alexa 488 -标记的第二抗体与共焦显微镜检查(奥林巴斯、LEXT、日本)。细胞免疫荧光的CD34、CD133和趋化因子受体CXCR4重复了三次,分别平均在所有标本测量标记的阳性比例。流式细胞仪进行使用荧光激活细胞分选仪口径仪器(加利福尼亚州圣何塞,正欲)如前所述[18]。河鼠单克隆抗体,PE-CD34 (BD),荧光素isothiocyanate-CD133 (eBioscience) PE-VEGF (BD)和PE-CD31 (BD),被用来染色对小鼠造血干细胞和血管内皮标记。

2.3。鼠标的后肢缺血模型和内皮祖细胞移植

无胸腺的裸体雄性老鼠(中国科学院上海实验动物中心)5 - 7岁的周,体重15 - 20 g与吸入异氟烷麻醉(1.0 - -1.5%,科源)。右股动脉被曝光和切除electrocoagulator (GD350-S3,胡同有限公司,上海,中国)从近端股动脉起源到分岔到隐和腘动脉(6]。手术后,ct机(mct - 1108, Junhe有限公司,有限公司,苏州、中国)被用来记录血管条件和评价该模型的心脏内的注入硫酸钡(80% w / v,精堪,福建,中国)。

与异氟烷麻醉后(1%)、48小鼠被随机分配给一个失明心脏内的交货控制盐水(150μL), 1×10⁶培养内皮祖细胞(150μL) 24小时后手术。

2.3.1。核磁共振扫描

使用7.0 T先生所有实验进行了小动物磁共振系统(力量PharmaScan, Ettlingen, ParaVision 5.1软件,德国)。为在活的有机体内先生收购,麻醉诱导吸入的空气和3%异氟烷的混合物,由氧的混合物含有0.5%至1%异氟烷,分别。鼠标定位是仰卧的表面线圈和放置在扫描仪内部使用小动物仪器监测和监控。

扩散加权图像(驾车)缺血性下肢水肿的出现表示的缺血性肌。扩散加权图像进行了1、3、7、14、21、28天缺血后(每个时间点)来研究缺血性损伤的变化重复使用一个回波平面成像序列和参数/回波时间的2500/30的女士,b价值500 s /毫米²矩阵的128×128,3.5厘米×3.5厘米的视野,切片厚度1毫米,较大的1。水肿的面积(白色信号驾车)测量使用图像J软件(美国贝塞斯达国家健康研究所的)。在活的有机体内DTI在执行时间点根据下列实验程序。与双极扩散梯度自旋回波序列被用来获得10个不同的扩散方向和五个参考图像(重复时间/回波时间的5000/28的女士,b值0和500年代/毫米²250000赫兹的带宽相同的视场,和片位置的驾车)的总收购时间5分钟。扩散张量成像的像素强度数据集被使用安装矩阵得到扩散张量的地图。所有图像梯度计算考虑在内矩阵(20.]。先生指数计算像素像素和感兴趣的圆形区域的平均150 - 180像素(6 - 7毫米²)定位腓肠肌肌肉(图1)。从张地图,特征值(λ1,λ2,λ3)、平均ADC和FA ParaVision 5.1的计算使用软件(力量PharmaScan MRI),在ADC =跟踪/ 3和 纤维跟踪执行使用一个软件程序(DTI工作室,版本2)。英足总阈值被设定为0.1,以避免丢失的纤维低FA、地区和角阈值设置低20°,纤维跟踪停止如果纤维取向的变化大于20°在相邻的体素位置跟踪。的面积在腓肠肌肌肉水肿是选定的测量纤维支数。

2.3.2。组织学分析

检测内皮祖细胞缺血性损伤后肌肉恢复效果,两组的老鼠立即牺牲空气和5.0%异氟烷的混合物在活的有机体内分析天1、3、7、14、21、28缺血后(4每个时间点)。每个老鼠都灌注transcardially磷酸盐,其次是刚做好的4%多聚甲醛(试剂1号工厂的上海化学试剂有限公司,有限公司,中国)在0.1 M磷酸盐缓冲剂(pH值7.4)。腓肠肌肌肉固定,脱水,嵌入式,横向分为5μm片段(每个样品六个部分)苏木精和伊红(圆),博士德生物技术有限公司,中国)检测缺血损伤后肌肉恢复,马森的染色(上海虹桥Lexiang医疗试剂科技有限公司有限公司,中国)被用来检查肌肉纤维。马森的染色的一般规则是,更少的多孔组织颜色的最小分子染料;每当大型分子大小的染料能够穿透,它总是以牺牲较小的分子。正常的肌肉细胞有小孔和红色染料能够穿透,而红色染料里拽出来的胶原蛋白,因为很多孔结构。缺血后,受伤的大毛孔肌细胞导致红色的消失。检查缺血性肌肉纤维恢复的差异在两组之间,我们计算红色的面积作为生存在马森肌肉纤维的染色。该地区的红色与组织学染色进行半定量的过程与MATLAB软件开发(纳蒂克,MathWorks质量)。人工领域,如血管,病理学家手工被排除在外。五个随机微观领域被抓获在马森的彩色部分的每个鼠标每组中。生存的百分比肌肉纤维是由以下公式计算,平均从一只老鼠在所有领域: 我们测量的平均值这五个随机微观领域每个样本(鼠标)。

微脉管密度计算的肌肉从串行部分沾anti-mouse CD31(圣克鲁斯生物技术公司,圣克鲁斯,CA)抗体治疗后7天。CD31阳性血管数从五个不同的字段在每个鼠标和微血管的平均数表示为每平方毫米(平均数±标准差)18]。

后肢缺血后抢救治疗后评估。治疗脑缺血后肢骨骼的结果由三个参数来衡量,也就是说,后肢打捞,足坏死,autoamputation,治疗后28天。这些测量的百分比来比较和评估治疗小鼠接受治疗的反应控制盐和内皮祖细胞。

2.4。统计分析

所有使用SPSS统计分析软件SPSS对Windows, 11.0版本,2001;SPSS,芝加哥,IL)。数值数据报告为平均值±标准差(SD)。统计学意义是评估一个独立样本t由方差分析以及对比2组或多个比较。Bonferroni过程被用来修正多重比较。统计比较的关系计算出的纤维支数DTI和生存纤维评估马森的染色,相关测试应用。一个值小于0.05被认为是表明一个统计上的显著差异。

3所示。结果

3.1。内皮祖细胞的特点

骨骨髓来源的单核细胞分离和培养7天。这些细胞的形状改变globe-like spindle-like(图2(一个))。这些细胞被间接染色积极immunofluorescent染色标记的造血干细胞和祖细胞,CD34, CD133和趋化因子受体CXCR4(图2(一个))。进一步检查显示CD34阳性比率,CD133,趋化因子受体CXCR4大约是81%,76%,和68%,分别。内皮细胞表型特征的评估acLDL-Dil吸收和FITC共轭UEA-1-lectin绑定(图2 (b))。双阳性的比率约为81%。因此,这些细胞被确认为骨骨髓来源的内皮祖细胞。流式细胞术结果显示CD34的表达水平(52.73%),CD133(14.28%),和VEGF受体2(61.63%)(数据3(一个)- - - - - -3 (g))。这些细胞也表达CD31(3.26%),这是一个特殊的标记内皮细胞。培养后30天,CD34阳性细胞的15.65%(图3 (h))。

3.2。后肢缺血模型的评价

图4(一)的图是研究和治疗方法。后立即手术,右下肢脸色变得苍白的肤色与左边正常的肢体。ct机进行检测的死胡同近端右股动脉起源(图4 (b))。

3.3。内皮祖细胞治疗后缺血性下肢肌肉再生

3.3.1。醉酒驾车和DTI在活的有机体内

更高的信号在扩散加权图像的缺血性下肢水肿区域的扩散限制表示缺血性肌肉。水肿的地区缺血性肌内皮祖细胞治疗后14天小于对照组(数字5(一)和5(b))。在天治疗后1和3,ADC的缺血性肌肉增加和FA值减少,但是没有区别和对照组内皮祖细胞治疗。然而,在天7和14治疗后,内皮祖细胞之间有显著差异和对照组治疗。缺血后肢骨骼的ADC值的内皮祖细胞移植组低于对照组和FA值的缺血性肌内皮祖细胞治疗的老鼠高于控制老鼠(数字5(c) -5(e))。缺血后不久,λ2,λ3增加了。7到14天治疗后,λ1,λ2,λ3内皮祖细胞的缺血肌肉组低于对照组(数字5(f) -5(h))。此外,内皮祖细胞治疗缺血性肌肉的纤维支数是高于生理盐水治疗28天(数字5(我),5(j))。

3.3.2。马森的染色

在第三天治疗后,两组之间没有差异生存纤维。然而,马森的染色显示,有一个更大的扩张生存纤维在28天比在缺血后第三天。在对照组,组织学检查显示治疗后28天的肌肉部分纤维化领域和许多缺血性下肢坏死肌肉纤维(数字6(一)和6(b))。相反,在脑缺血小鼠与内皮祖细胞治疗28天,纤维化和坏死肌肉纤维数量明显减少。生存在缺血小鼠肌肉纤维的百分比与内皮祖细胞治疗是单一的高于对照组(图6(b))。此外,大多数的肌肉纤维都完好无损。有显著相关性纤维计数计算DTI和生存纤维通过组织病理学评价(,)(图6(c))。

3.3.3。毛细血管密度测量

与CD31免疫组织化学分析缺血性组织样本标记表明缺血性肌肉毛细血管的数量从老鼠内皮祖细胞治疗,疗程14天是更重要的比生理盐水治疗对照组()(数据6(d)和6(e))。

3.3.4。组织打捞EPC治疗后

显著降低缺血后肢骨骼的autoamputation EPC EPC治疗后观察治疗组相比,动物与生理盐水治疗(对照组)。在对照组,受伤肢体只保存3 12老鼠(25%),而脚坏死和autoamputation开发的5(41.7%)和4(33.3%)老鼠。相比之下,四肢被打捞8 15老鼠EPC治疗组(53.3%)。此外,小鼠足坏死仅限于4(26.7%),和只有三个动物(20%)经历了自发的截肢。结果明显不同内皮祖细胞治疗组和控制()。

4所示。讨论

在这项研究中,我们应用DTI确定动态变化在组织修复和再生之间的肌肉纤维内皮祖细胞治疗组和控制盐水组诱导后下肢缺血。此外本研究还表明,移植骨morrow-derived内皮祖细胞改善肌肉纤维再生。

电荷和Rudnicki报道,肌肉纤维的变性和坏死后缺血导致渗透率增加,伴有炎症和肌原性的细胞的激活4]。如果不能建立侧枝循环,肢体坏死的发生率,autoamputation,和残疾显著增加21]。骨骨髓来源的内皮祖细胞,导致缺血组织的血管新生报道(9,22,23]。在这项研究中,我们证明了内皮祖细胞的治疗效果在后肢缺血模型。明亮的区域信号扩散成像内皮祖细胞治疗后更快地减少与控制老鼠在活的有机体内,和生存的数量纤维也高于对照组老鼠。

Sotak建议降低ADC值表示细胞肿胀,细胞外扩散限制在脑组织24]。相比,大脑细胞肿胀,肌细胞肿胀导致ADC值增加,扩散系数在骨骼肌急性缺血后(25,26]。在我们的研究中,我们还证明了ADC和肌细胞大小之间的关系,在地区与肿胀的细胞具有更高的ADC。肌肉再生过程的外部区域内区域(27]。在我们的研究中,治疗内皮祖细胞促进缺血性肌肉恢复下肢水肿的较小的地区。内皮祖细胞的ADC值治疗组比对照组低,在缺血性肌肉水肿的面积也小后14天。结果表明,内皮祖细胞移植促进组织恢复在活的有机体内。此外,FA的结果,特征值和纤维计数从DTI表明缺血后的肌肉纤维再生是内皮祖细胞移植组优于对照组。Strijkers等人证明了三个特征值的增加是因为延长细胞在缺血后第三天(28]。组织学的研究结果也表明一个更完整的恢复肌肉纤维的内皮祖细胞治疗组和对照组。此外,有一个强大的关系生存的肌肉纤维以马森的染色和纤维数量评估DTI。

然而,相比Heemskerk等的报告27),缺血性肌肉的修复时间是长在我们的研究中。我们发现两个因素导致了这种差异。的一个因素是,后肢缺血模型的诱导方法不同。在我们的研究中,右股动脉切除了一个electrocoagulator髂外动脉近端起源的分岔到隐和腘动脉结扎诱导相比更严重的缺血。另一个因素是,不同使用的老鼠。在他们的研究中使用的野生型小鼠;在我们的研究中使用的裸小鼠。裸体小鼠的胸腺退化,导致被不能产生成熟的t细胞(29日]。研究表明,t细胞中扮演重要角色的发展间接血管(2,30.]。因此,我们的工作表明,在裸小鼠肌肉再生所需的时间较长时,有可能在一定程度上解释了免疫功能紊乱,导致缺血性肌肉纤维中的延迟复苏。

脑DTI研究通常获得的b价值1000 s /毫米²。然而,低价值的400 - 600 s /毫米²对肌肉的推荐,因为最小化回波成像时间可以最大化肌肉信号(低T2弛豫时间与脑组织相比)(31日]。而大脑白质高各向异性(FA)0.7)使用大约30 FA值较低的梯度方向和肌肉组织(约0.25),梯度方向数字是大约10 [31日,32]。Sinha和美国Sinha表明,变异系数没有显著差异在人类从6 -和13-diffusion梯度收购小腿肌肉在1.5 T [33]。

这项研究有一些局限性。首先,先生并不完全与组织学切片图像,所以DTI数据不与组织学变化细节。第二,易感性工件从骨/组织和空气/组织界面的影响7.0 T磁共振扫描器是几倍比1.5或3.0 T扫描仪,特别是基于回波平面DTI [34]。我们使用了与大腿表面线圈和密切接触,帮助减少工件。

5。结论

我们的研究结果表明,内皮祖细胞治疗后缺血性肌肉纤维组织修复和再生都显著优于对照组。我们证明了DTI用于纵向评估缺血的肌肉纤维的再生后内皮祖细胞移植治疗下肢缺血的小鼠模型。我们建议DTI可用于无创性评价肌肉组织损伤和修复在动物模型和缺血性疾病患者。

缩写

ADC:	表观扩散系数
DTI:	扩散张量成像
酒后驾驶:	扩散加权成像
EPC:	内皮祖细胞
费尔南多-阿隆索:	分数各向异性
核磁共振成像:	磁共振成像。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突有关的出版这篇文章。

确认

这项工作得到了国家自然科学基金的资助中国(国家自然科学基金委,没有。81525014,没有。81371538,没有。81501523)和江苏省特殊医学科学的程序。

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