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干细胞国际/2018年/文章
特殊的问题

间充质干细胞作为启动子、增强子和组织者的再生医学转化2018

把这个特殊的问题

研究文章|开放获取

体积 2018年 |文章的ID 5402853 | https://doi.org/10.1155/2018/5402853

Patrina s p . Poh克劳丁Seeliger,玛丽娜昂格尔,卡坦Karsten Falldorf,伊丽莎白·r·Balmayor范Griensven, 成骨的影响和细胞信号激活的极低频脉冲电磁场在脂肪间充质基质细胞”,干细胞国际, 卷。2018年, 文章的ID5402853, 11 页面, 2018年 https://doi.org/10.1155/2018/5402853

成骨的影响和细胞信号激活的极低频脉冲电磁场在脂肪间充质基质细胞

学术编辑器:安德里亚Ballini
收到了 2018年4月20日
接受 06年6月2018年
发表 2018年7月12日

文摘

极低频脉冲电磁场(ELF-PEMF)设备已应用于临床治疗骨疾病在过去30年里。然而,这种现象的潜在机制的ELF-PEMFs在细胞水平上施加影响的组织不是很好理解。因此,在这项研究中,我们探索潜在的不同ELF-PEMF信号调节人体脂肪间充质基质细胞”(hAMSC)成骨的能力。细胞增殖率是评估使用carboxyfluorescein succinimidyl酯(CFSE)方法。骨生成细胞的潜力是由碱性磷酸酶(ALP)活性,茜素红S染色,RT-qPCR。最后,选择的胞内信号通路ELF-PEMF信号检查使用PathScan胞内信号数组。ELF-PEMF信号测试中,程序20 (Hz) 26日显示了一种蛋白激酶的激活和MAPK / ERK信号级联,胶原蛋白的重要upregulations我,碱性磷酸酶和骨钙素相比nonstimulated细胞。这项研究表明某些ELF-PEMF的潜在信号参数诱导成骨分化hAMSC并提供重要线索的分子机制的刺激通过ELF-PEMF hAMSC成骨的影响。

1。介绍

骨缺损的临床干预是有限的。患者自身的组织(自体移植)保持骨缺损治疗的黄金标准。尽管展示愈合率高,自体有关联的缺点;大约有20 - 30%的病人自体施主能级发病率和复杂的骨折,骨折不愈合和感染。因此,有效治疗迫切需要这样的骨缺损。

多年来,细胞疗法已被证明是一个切实可行的策略,有助于骨再生的过程(1]。自体脂肪间充质基质细胞(超导公司)是一个有前途的工具在细胞疗法由于其相对轻松收获比其他来源的间充质基质细胞(MSC),表明再生潜力高作为细胞来源的(1,2]。然而,超导公司疗法的疗效取决于如何有针对性的持续有效地移植超导公司病变区域和功能这些细胞的再生过程。骨再生是一个极其动态的和复杂的过程,涉及多种细胞类型的函数是由复杂的生化信号的网络。骨再生的一个至关重要的阶段是前体细胞的增殖和分化(即。,MSC)成骨细胞(成骨细胞),建立矿化骨基质。因此,有巨大的努力发展的非侵入性策略,这将补充细胞疗法通过刺激MSC的增殖和指导分化受伤网站促进骨再生(3,4]。其中,ELF-PEMFs存在一个潜在的技术平台,可以应用无创调节理想的细胞反应。ELF-PEMF-generating设备可以产生电磁信号与特定的振幅、频率和波形(5]。这些信号可以通过外部传导到软组织线圈应用在意图伤害网站,导致局部感应电场和磁场(6]。一些研究建议提高骨再生能力有利于成骨细胞增殖,分化和生产钙化的细胞外基质(ECM)的风险敞口ELF-PEMF信号(7- - - - - -12]。

ELF-PEMF疗法旨在帮助骨折修复临床研究已经超过30年了。许多努力都面向理解ELF-PEMF刺激的基本机制MSC收获来自不同来源(即。,肺泡bone-derived MSC (13)、骨骨髓来源MSC (BMSC)和超导公司(14,15])和相关的骨再生的影响。然而,尽管取得了可喜的成果,仍然没有清晰的作用机制等的性质或最优ELF-PEMF信号参数,可以用来增强成骨的能力。因此,最优ELF-PEMF信号配置需要提高成骨的潜在hAMSC [14- - - - - -17是不确定的。在大多数研究中,ELF-PEMF信号的振幅和频率用于诱导骨生成变化从0.1到3吨和7.5到75赫兹,分别为(4,16),显示不同的结果(即根据ELF-PEMF配置。、频率、振幅和波形),ELF-PEMF设备(即。,shape and size of applicator/field coil), method of application (i.e., position of the applicator in respect to the cells’/tissues’ position), and duration of exposure. In this regard, for example, exposure durations found in the literature vary from 5 mins to 14 hours per day [5,18)没有共识的最佳治疗时间。然而,目前,长期接触的器官和组织ELF-PEMF仍高度争议(19]。在活的有机体内有研究表明长期接触ELF-PEMF会造成负面影响,如降低精子的运动性和睾酮水平(1吨,50赫兹EMF, 24小时85天)(20.在肝组织)和增强氧化应激(1吨,50赫兹EMF,每天4小时45天)(21]。另一方面,短曝光已经显示出不错的福利符合这些期望从潜在的治疗方法22]。

在这种背景下,我们进行了本研究试图确定进一步潜在ELF-PEMF信号,可以指导或增强hAMSC成骨的能力。随后,细胞内信号通路激活在hAMSC由于接触ELF-PEMF被检查。

2。材料和方法

2.1。隔离hAMSC

隔离的hAMSC 6捐助者( )进行书面告知病人的同意(之前获得组织集合)和当地大学医院伦理委员会批准,“Klinikum雷希特der测量”,慕尼黑工业大学,德国,以及根据本机构建立的道德准则以及赫尔辛基宣言》在其最新的修正案。短暂,固体脂肪样本(手工剁碎成小块)或抽脂消化了0.075% ( 胶原酶II型(Biochrom、德国)在PBS 37°C为30分钟。消化是终止使用DMEM-high葡萄糖补充与100 U / ml青霉素,100μg / ml链霉素,10% ( 胎牛血清(FCS)。详细的细胞隔离程序描述了施耐德et al。23]。孤立的细胞培养在37°C, 5%的公司2,空气湿度95%。细胞通过3是用于细胞增殖和矿化分析,同时与细胞基因表达和细胞内信号数组进行的4。

2.2。ELF-PEMF暴露

评估的增殖和成骨分化行为hAMSC当暴露于不同ELF-PEMF信号,细胞培养板/烧瓶放入涂布(图的1)。器是连接到Somagen®设备(公元0482年,符合EN ISO 13485:2012 +交流:2012年,Sachtleben GmbH,德国),ELF-PEMF信号生成如前所述[24- - - - - -26]。在目前的研究中,10个不同ELF-PEMF信号(称为“CIT计划”由制造商)。短暂,所有ELF-PEMF产生的信号设备是由一个基本的脉冲,被安排到不同的基本频率的脉冲序列表中列出1


“CIT项目数字” 脉冲重复率(赫兹)

4 10.0
16 16.0
10 20.6
18 23.8
20. 26.0
64年 33.0
31日 49.9
81年 52.3
114年 75.6
124年 90.6

1显示了峰值的分布ELF-PEMF磁场大小作为衡量的同质性在细胞培养板。

2.3。细胞培养

细胞培养的研究分为两个连续的部分。第一部分(研究1),hAMSCs trypsinised和镀1×10的密度4细胞/厘米2在1 96孔板。使用DMEM-low hAMSC的成骨分化诱导葡萄糖补充与100 U / ml青霉素,100μg / ml链霉素,5% ( )FCS、100 nM地塞米松、1.6毫米氯化钙(CaCl2抗坏血酸),消息灵通的25毫米,0.2毫米,和10毫米β甘油磷酸(以下简称成骨的媒介)。然后,细胞分别处理每个表中列出的ELF-PEMF信号之一1一天一次,7分钟/ 2周。在3天、7和14日ELF-PEMF曝光后,细胞收获细胞增殖和矿化分析。

第二部分(研究2),hAMSCs镀是相同的密度1×104细胞/厘米2和培养成骨的媒介。细胞暴露在一个ELF-PEMF信号识别研究1 7分钟(单曝光)。定义后休息时间(30分钟,1、2、3、4和6小时),采集样本进行胞内细胞信号数组。在这两个研究,在成骨的培养基培养hAMSCs没有ELF-PEMF暴露被用作控制。

2.4。Carboxyfluorescein Succinimidyl酯(CFSE)标签的细胞

细胞增殖是评估使用CFSE (Abcam®, ab113853,英国)。简而言之,与1细胞荧光标记μM CFSE在文化媒体15分钟37°C。然后,培养基的细胞被洗去除nonincorporated染料和充满新鲜培养基。在3天,7日和14日,细胞收获和CFSE荧光吸光度检测使用流式细胞分析仪(MACSQuant, Miltenyi研究,德国)使用蓝色激光(488海里)和525/50 nm过滤器。

2.5。Sulforhodamine B (SRB)染色的细胞蛋白质

在3天、7和14,细胞与冰冷的甲醇固定15分钟和孵化SRB 30分钟的解决方案。随后,细胞用1%的醋酸溶液洗净去除游离SRB。然后,SRB孵化了10毫米无缓冲的三15分钟解除绑定SRB的解决方案。最后,使用板吸光度测量565/690 nm读者(BMG Labtech,德国)。标准曲线与已知的蛋白质生成,用于计算所有样本的相应值。

2.6。碱性磷酸酶(ALP)活性

天3、7、14、细胞培养基是吸气,并与PBS细胞被洗一次。然后,细胞(即满是高山衬底的解决方案。,3。5 mM 4-disodium-4-nitrophenyl phosphate prepared in 0.1 M AP-buffer consisting of 50 mM glycine, 100 mM Tris-base, and 2 mM magnesium chloride at pH 10.5) for 30 min at 37°C. Subsequently, 100 μl反应混合物转移到一个96孔板一式三份。吸收反应的产物为405 nm使用板读者(BMG Labtech,德国)。提出了数据标准化的蛋白质含量。

2.7。冯Kossa染色矩阵矿化

在不同的时间点(3、7、14天),文化与冰冷的甲醇洗两次PBS和固定15分钟。随后,文化是沾3% ( 硝酸银溶液(费舍尔,德国)30分钟,三个冲洗dH紧随其后2o .染色是在1%(开发 )焦棓酸解3分钟,其次是两个dH的冲洗2O(5分钟)。然后,文化孕育了5%硫代硫酸钠溶液5分钟,在运行自来水洗了15分钟,和孵化Kernecht-red解决方案5分钟。洗后,文化是用96%的乙醇为1分钟,空气干燥,使用光学显微镜成像(bz - 9000、日本基恩士、日本)。

2.8。茜素红染色Semiquantification矩阵的矿化

这个过程进行的semiquantification基质矿化的程度。短暂,3天,7日和14日,细胞与冰冷的乙醇用PBS和固定在室温下30分钟。然后,细胞用蒸馏水洗净(dH2O)和0.5%(孵化 在dH)茜素红S2O, pH值4 10分钟。之后,非公司染料使用几种冲洗的dH冲走2o .氯化hexadecylpyridinium沉淀溶解使用10%,和100年μl的解决方案被转移到一个96孔板一式三份。反应的吸收产品是使用板读者以562海里。提出了数据标准化的蛋白质含量。

2.9。RT-qPCR

天3、7和14日细胞收获,信使rna提取使用三试剂(Sigma-Aldrich、德国)根据制造商的建议。RNA量化和质量控制做了NanoDrop(美国NanoDrop科技)。反转录在C1000互补脱氧核糖核酸进行触摸热循环(埃普多夫,德国)使用合成第一链cDNA工具包(美国热科学)和制造商的指示。qPCR CFX96实时系统中进行了使用SsoFast thermocycler EvaGreen supermix(美国Bio-Rad大力神,CA)作为RunX2的基因表达的检测试剂,骨钙蛋白、骨桥蛋白、osterix,高山,胶原蛋白I型(COLIAI)。引物序列表中列出2。基因表达是表示为2−ddCT相对于管家(β微管蛋白)和对照组。


基因 正向引物 反向引物 退火温度(°C)

RunX2 TGCCTAGGCGCATTTCAGGTGC TGAGGTGATGGCGGGGTGT 60
骨钙素 CCAGCGGTGCAGAGTCCAGC GACACCCTAGACCGGGCCGT 60
骨桥蛋白 CTCCATTGACTCGAACGACTC CGTCTGTAGCATCAGGGTACTG 60
碱性磷酸酶 ACGTGGCTAAGAATGTCATC CTGGTAGGCGATGTCCTTA 57.5
胶原蛋白我 AGCGGACGCTAACCCCCTCC CAGACGGGACAGCACTCGCC 60
Βeta-tubulin GAGGGCGAGGACGAGGCTTA TCTAACAGAGGCAAAACTGAGCACC 60

2.10。胞内细胞信号数组

胞内细胞信号通路研究了使用PathScan胞内信号阵列工具包(细胞信号技术、荷兰)后,制造商的协议。短暂,细胞细胞溶解使用冰冷的裂解缓冲和溶菌产物稀释1毫克每毫升溶液蛋白质使用稀释缓冲数组。75年,μl(溶菌产物加入nitrocellulose-coated玻璃幻灯片预镀主要抗体。板是孵化一夜之间在4°C。清洗后使用数组洗缓冲区,75μl检测抗体鸡尾酒被添加到每个好,孵化一个小时在室温下轨道振动器。清洗步骤后,75年μl (HRP-linked链霉亲和素被添加到每个好,室温下孵化30分钟轨道振动器。最后,1 x LumiGLO®/添加过氧化氢试剂和化学发光检测使用化学发光成像(美国Bio-Rad)。

2.11。统计分析

细胞增殖,蛋白质含量,高山活动和茜素红S数据表示为均值的平均值±标准误差(SEM)。细胞信号蛋白组数据被表示为平均值±标准偏差(SD)。细胞增殖、蛋白质含量、高山活动和茜素红S数据受到双向方差分析(双向方差分析)和图基的事后测试(GraphPad Prism 7.0)。显著性水平是设定在 。另一方面,RT-qPCR和细胞信号阵列数据受到单向方差分析(ANOVA)和学生的未配对的双尾t以及。

3所示。结果

3.1。ELF-PEMF暴露在hAMSC扩散的影响

细胞增殖是由CFSE评估和SRB(蛋白质含量)。荧光染料CFSE是membrane-permeant细胞质蛋白质的共价连接到自由胺,CFSE荧光在女儿每个细胞分裂后细胞逐渐减少了一半(27]。另一方面,SRB结合化学计量的细胞蛋白,可以很容易地筛选了和作为细胞增殖的一个代理28]。在所有组织中,细胞增殖稳步增长从第三天到第14天。然而,与对照组相比,相同的文化时期,细胞增殖略有下降3天后ELF-PEMF曝光。然而,组间未发现显著差异在细胞增殖(数字2(一个)2 (b))。

3.2。hAMSC当接受ELF-PEMF成骨的能力

所有细胞培养在成骨的媒体来确定ELF-PEMF的应用将增强hAMSC分化成骨的血统。高山控制活动略有增加,ELF-PEMF组4,31日和114年相比,在第七天各自的第三天(图3(一个))。然而,只有CIT高山活动20暴露组数量略有增加相比,控制在3天(图3(一个))。

一般来说,茜素红S和冯Kossa化验(数字3 (b)4)显示,随着时间的推移增加矿化矩阵成立组织,有或没有ELF-PEMF曝光。是指出ELF-PEMF对基质矿化的影响更加突出3天,所有ELF-PEMF-treated组显示1.5 - 2.5倍增加茜素红S染色相比,控制(图3 (b))。

十个不同的ELF-PEMF信号,7(例如,CIT数字10,16日,18日20日,64年,114年和124年)进一步研究成骨基因表达(图5)。

细胞治疗CIT数据显示20和124年重大upregulation COLIAI经过3天的曝光控制。此外,CIT数量20也导致了重大upregulation的高山和骨钙素的同时观察。另一方面,CIT 18-treated细胞数量显示的重要upregulation RunX2表达式后7天相比,控制。骨桥蛋白表达水平略,但不值得注意的是,对于所有的ELF-PEMF组升高除了CIT 114号在这两天3和7比控制。

3.3。26个赫兹的影响ELF-PEMF hAMSC胞内细胞信号

基于第1部分的观察研究中,它是表示,26日赫兹ELF-PEMF 20 (CIT)显示潜在的触发骨生成的hAMSC (upregulation COL1A1,高山,在第三天)和骨钙素基因比其他ELF-PEMF信号。因此,这个信号被选中的说明使用一系列蛋白胞内细胞信号通路。系统允许用于检测18个不同的蛋白质参与增殖、生长,细胞凋亡和/或压力信号当磷酸化或裂解。图6显示不同的胞内蛋白的状态以hAMSC对待CIT数量20 7分钟。进行测量后立即(没有休息时间)或0.5,1,2,3,4,6小时的休息时间。

一般来说,它是观察到的磷酸化Akt, AMPKα坏,ERK1/2 HSP27、p53 p70 S6激酶,普拉斯40,S6核糖体蛋白增加在接触并逐渐回到基线hAMSCs在静止状态(图左6)。相反,乳沟caspase-3 PARP以及葛兰素史克的磷酸化3β哺乳动物雷帕霉素靶(mTOR), p38,物,STAT1整个实验周期没有明显变化(图6)。值得注意的是,磷酸化STAT3的数量显著增加相比,控制样品和保持几乎不变长达6小时完成后曝光(图6)。

4所示。讨论

在所有测试ELF-PEMF项目,没有导致不可逆的细胞毒性hAMSC就是明证增加细胞增殖和蛋白质产量。这个观察是一致的与细胞内信号数组。当暴露于26日赫兹ELF-PEMF 20 (CIT),与压力相关的通路被激活。HSP27的增加激活,这是证明了这一点,已经被证明可以保护细胞发生细胞凋亡在压力条件下(29日通过与细胞色素c的交互或caspase-3 [30.]。此外,p53, antioncogenic蛋白质,以应对DNA损伤中起着重要的作用[31日),也被激活。值得注意的是,细胞凋亡是压抑的,如图所示的激活prosurvival Akt通路激活的由于缺乏proapoptotic效应器caspase-3 [32)和PARP proapoptotic蛋白质的失活不好。

在这项研究中,ELF-PEMFs被应用于在媒体osteogenic-conditioned hAMSC培养阐明潜在的ELF-PEMF hAMSC成骨分化的加速。所有组(包括控制)显示一个一般的矿化矩阵随时间增加。然而,只有突出不同矿化程度的观察3天ELF-PEMF-treated组相比,控制。这表明ELF-PEMFs得到积极回应hAMSC基质矿化。然而,在我们的实验中,我们注意到一个戏剧性的差异的能力形成矿化矩阵中不同的捐赠者hAMSC反映在相对较大的偏差(图3)和冯Kossa染色不同的捐赠者hAMSC有无ELF-PEMF曝光(图4)。

在基因层面上,这是观察到hAMSC暴露于26日赫兹ELF-PEMF 20 (CIT)表现出更突出的分化成成骨的血统比其他暴露组就是明证高山的增加(早期成骨细胞祖细胞的标志),COLIAI(胶原蛋白I型,最丰富的ECM蛋白在骨组织),和骨钙素(由成熟的成骨细胞和分泌通常用于表示终端成骨细胞分化)基因表达后3天的接触。颞osteogenic-related基因的表达可以用来描述造骨细胞的成熟过程33]。这表明,CIT程序20相对更有效诱导hAMSC ELF-PEMF相比其他测试项目向成骨的血统。

基于基因表达谱,一种蛋白质阵列被选为进一步阐明潜在的细胞间信号通路,导致增强hAMSC的成骨分化潜能。一种蛋白激酶信号级联激活在hAMSC暴露在26赫兹ELF-PEMF 20 (CIT),被磷酸化水平的增加Akt Ser473和Thr308 p70 S6激酶,和S6核糖体蛋白(34]。另一方面,没有明显的变化水平的磷酸化mTOR后曝光。然而,它是确定mTOR调节蛋白质合成通过S6激酶的磷酸化和激活,用作读出mTOR的活动(34]。

我们的研究结果也表明coactivation hAMSC ERK信号通路1/2的暴露于26赫兹ELF-PEMF,如图所示,水平的提高磷酸化ERK1/2曝光后不久。研究报告说,一种蛋白激酶(35]和ERK1/2 [36)可以激活信号通路在细胞压力,防止细胞死亡和协同工作,促进细胞增殖和蛋白质翻译(37]。这是因为Akt激活促进核出口p21cip1进入细胞质,被蛋白酶体降解。因此,p21cip1水平降低和细胞周期阻滞停止38]。这些观察表明,ERK和Akt激活(图7)针对26赫兹ELF-PEMF提升hAMSC生长和存活并阻止细胞凋亡尽管某些细胞水平的压力。支持这一假设观察长期磷酸化STAT3的一个至关重要的转录因子参与维护和凋亡状态的细胞(22]。是指出,需要进一步的实验证实了这些最初的观察。

最近,使用相同的ELF-PEMF设备,Ehnert et al。24]表明,主要的人类成骨细胞受到16赫兹ELF-PEMF (CIT 16号)暴露显示更好的生存能力和成熟的激活ERK1/2信号级联。相反,它并不影响破骨细胞生存能力和成熟。此外,抗氧化防御机制可以由同一ELF-PEMF诱导信号据Ehnert et al。24]。最近,Ehnert et al。26)也显示的潜力ELF-PEMF 16赫兹(CIT 16号)和26赫兹(CIT数量20)在促进骨生成coculture成骨细胞和msc和增加破骨细胞活动暴露在26赫兹ELF-PEMF (CIT数量20)。总的来说,这些数据显示细胞如何不同的血统ELF-PEMF信号的反应不同。未来的研究将更复杂的文化系统上执行(如合作/ triculture模型将成骨细胞、破骨细胞,和单核细胞/巨噬细胞)来阐明一个更有效的ELF-PEMF信号和空间配置,可以发挥积极的净骨形成的反应。

数据可用性

的定量数据,高山,RT-qPCR,胞内信号通路数组用于支持本研究的发现可以从相应的作者在合理的请求。ELF-PEMF信号模式数据用于支持本研究的发现是由Sachtleben GmbH,汉堡,德国,所以不能免费提供。请求访问这些数据应该Karsten Falldorffalldorf@citresearch.de

的利益冲突

卡斯滕Falldorf Sachtleben GmbH是一家现代化的员工。所有其他作者宣称他们没有利益冲突。

确认

这项研究是由Sachtleben GmbH是一家。这项工作是支持的德国研究基金会(DFG)和慕尼黑工业大学(TUM)框架的开放获取出版计划。

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