文摘

目标。骨关节炎是关节的主要疾病。骨关节炎可能是治疗液源自Runx2-overexpressed骨髓间充质干细胞(R-BMSCs-Exos)。R-BMSCs-Exos会促进增殖、迁移和关节软骨细胞表型维护。方法。bmsc与没有Runx2转染。液来源于bmsc和R-BMSCs (BMSCs-Exos和R-BMSCs-Exos)被隔离和标识。增殖、迁移和表型测定维护在体外和对比组。Yes-associated蛋白的激活机制(YAP)调查使用小型干扰RNA (siRNA)。确定液的预防作用在活的有机体内马森使用三色的和免疫组织化学染色。结果。R-BMSCs-Exos增强扩散、迁移和关节软骨细胞表型的维护基于YAP被激活。R-BMSCs-Exos防止膝关节骨关节炎的研究在活的有机体内通过兔模型。结论。研究结果强调R-BMSCs-Exos预防骨关节炎的疗效。液的潜在来源分类的优点和缺点。液然后修改基于分子机制来解决其局限性。这样修改液来自细胞在未来治疗的作用。

1。介绍

骨关节炎(OA)是慢性关节疾病世界各地(1,2]。它影响了约10%的男性和18%的女性年龄60年以上(3]。OA病理特征包括关节软骨变性、继发性骨质增生,关节空间的缩小发现平片(4]。办公自动化是通过功能障碍临床表现、畸形和疼痛(5]。OA是通过药物治疗、非药物和外科手术(6,7]。有一个症状缓解;然而,不能有效地修复受损软骨组织(8]。及时预防和逆转OA进展如此重要。

间充质干细胞(msc)修复受损组织的潜力。msc可以从像滑膜组织,孤立的软骨膜,脂肪,肌肉,骨膜、骨髓(9]。骨髓间充质干细胞(bmsc)于1968年首次从骨髓中分离(10]。组织通过bmsc专门再生软骨(11]。直接使用干细胞引起染色体变异和免疫排斥反应12]。因此,重要的是有效地使用msc没有风险。

居民的激活细胞通过旁分泌机制有助于细胞介导组织修复(13]。Exosome-membrane-bound囊泡的30 - 150 nm直径是由所有的幽默和细胞类型和对细胞之间的沟通很重要14,15]。液细胞的生物学特性,他们来自16]。直接使用的液没有染色体变异或免疫原性的影响12]。有有限的研究对于OA疗法使用液源自bmsc (BMSCs-Exos) [17]虽然这推测其有效性在预防或逆转营运工作。

2。材料和方法

2.1。道德声明

实验动物模型经伦理委员会批准武汉第三医院,同仁医院的武汉大学和指导的实验室动物保健和使用之后。这些实验动物管理中心。包括动物的数量和痛苦都很小。

2.2。rbBMSCs的分离、纯化和表征

bmsc分离从骨髓作为先前的协议18]。细胞被转换成成骨诱导分化,脂肪形成的,chondrogenic分化媒介。分析了分化细胞表面标记使用流式细胞分析仪(美国CytoFLEX)。细节的补充方法1

2.3。腺病毒转染

腺病毒Runx2 (Ad-Runx2)转染报道方法(19]。目标基因Runx2 1015 bp - 2559 bp的长度是由上海Jikai生物科技有限公司设计有限公司和克隆到令人恼火的向量。Ad-Runx2冰箱储存在-80°C(新细胞和分子生物技术,中国)。制造商的协议随后转染Ad-Runx2 GFP荧光为msc和观察到荧光强度。转染效率验证了通过免疫印迹和存在。

2.4。液的分离和鉴定

液分离得到bmsc的条件培养基和Runx2-transfected bmsc [20.]。纳米粒子跟踪分析(NTA)和透射电子显微镜(TEM)液的大小和分布决定的。标记蛋白(CD63、研究和TSG101)提取液使用外来体蛋白质总隔离设备(美国表达载体)。通过PKH-26-labeled外来体通过观察软骨细胞吸收液。提供的细节补充方法2

2.5。RNA隔离和存在

从细胞中提取总RNA使用试剂盒试剂(表达载体)和mRNA RNeasy / miRNeasy迷你包(试剂盒)。信使rna,互补脱氧核糖核酸合成使用PrimeScript RT试剂盒(豆类)。存在进行CFX96™实时系统(Bio-Rad)使用iTaq普遍一步RT-qPCR工具包(Bio-Rad)。为其他mrna GAPDH采用作为内部参考。引物序列给出了补充方法3。实验进行了一式三份。

2.6。蛋白质分离和免疫印迹

采用协议是一样的我们的先前的报道(21]。总蛋白质含量从细胞裂解分离缓冲EDTA,为西方墨点法和等量加载。anticollagen II型(COL-II)的抗体,anti-SOX9, Runx2,和anti-aggrecan主要抗体来自Abcam(美国Cambridge, MA), anti-YAP, anti-CD63, anti-CD81,和anti-TSG101系统生物科学(美国帕洛阿尔托,CA)和anti-CTGF anti-Ankrd1, GAPDH蛋白质科技(武汉,中国)。COL-II分析使用8% sds - page (wt /卷)。实验进行了一式三份。

2.7。在体外软骨细胞的反应BMSCs-Exos R-BMSCs-Exos
2.7.1。关节软骨细胞的分离和表征

兔关节软骨细胞(rbac)隔离通过连续的蛋白酶和胶原酶消解时(22]。第三段的rbac 2 (P2)被播种在6-well板105细胞/厘米2治疗前避免表型的损失。rbac是使用甲苯胺蓝染色和识别,吖啶橙荧光,immunofluorescent II型胶原蛋白。描述的细节补充方法4

2.7.2。软骨细胞的增殖

软骨细胞与液或Ad-Runx2转染通过EdU测定细胞增殖工具包(表达载体,北京)。正常软骨细胞或软骨细胞转染与不同比例的液或空向量被播种到24-well板12 h的密度 细胞/。细胞培养是解决方案添加到EdU(比1000:1)在室温下和孵化2 h,紧随其后的是洗PBS, 4%多聚甲醛固定30分钟,酝酿在甘氨酸溶液8分钟。文化被使用胰蛋白酶EDTA消化。细胞用PBS Triton x - 100年有0.5%,沾染了阿波罗的解决方案,并为30分钟在黑暗中孵化。最后,赫斯特3334年的解决方案是添加到细胞,在黑暗中孵化20分钟,荧光显微镜下观察。

实验进行了一式三份。

2.7.3。软骨细胞的迁移

Transwell分析决定了刺激BMSCs-Exos和R-BMSCs-Exos对软骨细胞的影响。周围 细胞治疗,出现在200年μL血清中耗尽,被添加到顶端商会24-well 8μ米孔隙大小transwell板(美国纽约康宁,康宁公司)。600年μL的软骨细胞培养基包括液添加到众议院12 h的孵化后37°C。参议院transwell板是固定的4% PFA 15分钟,10分钟0.5%结晶紫染色,洗了三次PBS。用棉签把细胞没有迁移到较低的表面。五个随机领域/徕卡显微镜下拍摄。实验重复三次。

2.8。动物研究
2.8.1发布。模型开发和组

20新西兰雄性兔子(体重 )是由武汉wan千加兴生物技术有限公司(宽厚。SCXK湖北2019 - 0011)。兔子在单独的笼子里,正常的饮食。动物实验室维持12:12小时光/暗周期、温度的第23 - 25°C,湿度和稳定的55 - 70%。基于佐佐木等。23),兔子通过内侧膝盖打开parapatellar方法在无菌条件下,横向错位髌骨暴露股骨滑车的关节面。OA模型是由横切前交叉韧带和内侧半月板。伤口用生理盐水洗净和缝合。炎症是由管理避免800 KU的肌内注射青霉素为5天。兔子被分为4组:[1]Con组(无手术;每次收到关节腔注射生理盐水),从5只兔子10膝关节, (所有组);[2]莫集团(收到关节腔注射生理盐水在每周的第一天2nd到6th手术后一周);[3]BMSCs-Exos集团(收到关节腔注射1毫升BMSCs-Exos使转染软骨细胞悬液(10μg液/毫升)每次);[4]R-BMSCs-Exos集团(收到关节腔注射1毫升R-BMSCs-Exos使转染软骨细胞悬液(10μg液/毫升)每次)。手术麻醉兔子牺牲八周后,和膝盖样本恢复到评估疾病进展。

2.8.2。ELISA试验

膝关节滑液细胞因子il - 1β和肿瘤坏死因子-αELISA试剂盒检测的生物技术公司,有限公司,南京,中国。进行了检测在450 nm紫外线标仪(美国马热科学公司)。

2.8.3。组织学和免疫组织化学分析

膝盖软骨样本固定在4%多聚甲醛。他们用纯水冲洗后24 h和固定在石蜡包埋。一系列的治疗后,标本准备2 - 3μ米厚片使用冰冻切片机。组织部分被马森加工三色的染色。胶原蛋白和软骨染色蓝在显微镜下。修改后的奥德利组织学评分评估软骨修复的程度。

4毫米的固定和嵌入组织会被取消,部分。他们接受3% H2O2和柠檬酸钠。bmsc一夜之间被封锁和孵化与anti-COL-II在4°C, SOX9, aggrecan抗体和37°C 1 h。与PBS洗3次后,二次抗体的部分添加解决方案,在孵化为30分钟37°C,并与PBS洗3次。刚做好的diaminobenzidine部分添加,与苏木精复染色1分钟,脱水,清理,安装在中性香脂。积极的控制是利用抗原阳性部分和数控用PBS代替主要的抗体。拍摄照片,和光学显微镜下计数。

2.9。统计分析

数据被表示为 偏差(SD)。细胞计数采用混合模型重复措施(MMRM)和组织学评估由克鲁斯卡尔-沃利斯检验。数据使用SPSS统计分析v.23.0(美国IBM SPSS,芝加哥,IL), GraphPad v.6.0(美国圣地亚哥,CA)和Adobe Illustrator CS6(美国加利福尼亚州圣何塞Adobe,)。 显示统计上的显著差异。

3所示。结果

3.1。msc和软骨细胞的性格特征

板上的多个细胞殖民地成长培养骨髓后好几天了。大多数通道3 (P3)细胞长纺锤状(梭状),和他们的克隆生长在漩涡(图管理1(一))。P3成骨的bmsc的需求激增,脂肪形成的,chondrogenic媒体分化成骨骼组织(茜素红:积极),脂肪组织(油红O:积极),和软骨组织(阿尔新蓝:正面)(图1 (b))。流式细胞仪鉴定rbBMSCs的表面标记。培养rbBMSCs满足国际社会细胞治疗bmsc的识别标准(24),细胞为阴性CD45(低于3%)和CD44阳性和CD29(95%以上)(图1 (c))。孤立的软骨细胞是三角形或多边形3理查德·道金斯天(图1 (d)7日)和“铺路石”形状th天(图1 (e))。软骨细胞周围的软骨细胞矩阵与折射光(图可见1 (f))。软骨细胞与吖啶橙荧光染色证实了(图1 (g))和甲苯胺蓝(图1 (h))。评估软骨细胞代表蛋白质的II型胶原蛋白免疫荧光染色(图1(我))。

3.2。Ad-Runx2转染效率测试

P3 bmsc与GFP转染Ad-Runx2显示荧光绿色的48 h和观察到荧光倒置显微镜(图2(一个))。存在检测提取RNA,转染组增加( )(图2 (b))。为西方墨点法提取蛋白质,带灰度值计算。转染组增加,区别是重要的(数字2 (c)2 (d))。

3.3。隔离和液来自rbBMSCs的识别

纳米粒子跟踪分析(NTA)、透射电子显微镜(TEM)和免疫印迹是用来描述bmsc的分泌颗粒。大部分颗粒大小范围从30到150海里(图2 (e))。粒子显示空心球形微泡形态(图2 (f))。他们是通过免疫印迹进一步分析。外来体标记CD63的表达,研究,和TSG101(图2 (g))在液浓缩,内化发生关节软骨细胞。bmsc使用PKH-26标记荧光染料在转染前液。标记液是软骨细胞的细胞核周围的区域(图中观察到2 (h))确认由软骨细胞内化。

3.4。BMSCs-Exos和R-BMSCs-Exos诱导增殖、迁移和表型rbac的维护

液的功能行为作为货物运输的监管信号(25]。rbac是孵化和BMSCs-Exos R-BMSCs-Exos确定它们对关节软骨细胞的影响。软骨细胞受到刺激的0 1 5或10μg / mL BMSCs-Exos和R-BMSCs-Exos 24 h。存在和免疫印迹分析。aggrecan的水平,COL-II SOX9基因增强剂量依赖性的方式(数字3(一个)3 (f))。R-BMSCs-Exos(图3 (f))显著促进关节chondrocytes-related基因表达与BMSCs-Exos相比(图3(一个))。细胞迁移能力衡量transwell化验。R-BMSCs-Exos(图3 (b)3 (c))显著促进关节软骨细胞迁移而BMSCs-Exos(数字3 (g)3 (h))。蛋白表达用免疫印迹显示了同样的模式。相比之下,BMSCs-Exos(数据3 (d)3 (e))、aggrecan COL-II, R-BMSCs-Exos SOX9显示更高的蛋白表达水平(数字3(我)3 (j))。BMSCs-Exos R-BMSCs-Exos从而促进表型维护。

Aggrecan、COL-II SOX9基因软骨表型的标记。西方墨点法和存在化验显示,R-BMSCs-Exos促进软骨表型相比BMSCs-Exos(数据维护4(一),4 (c),4 (d))。增殖能力也是评估利用CCK-8和埃杜。与BMSCs-Exos相比,R-BMSCs-Exos带来更多的软骨细胞增殖增加(数据4 (b),4 (g),4 (h))。Transwell试验表明R-BMSCs-Exos入侵细胞数量高于BMSCs-Exos(数字4 (e)4 (f))。R-BMSCs-Exos潜力从而更好的促进增殖,迁移,表型rbac的维护。

3.5。BMSCs-Exos诱导增殖,迁移,并通过YAP活化表型rbac的维护

YAP和目标基因的表达水平包括ANKRD1 CTGF, Cyr61分析研究机制由BMSCs-Exos软骨细胞刺激。三个序列YAP-siRNA被西方墨点法和过滤中存在的抑制作用前谷是著名的。YAP-siRNA-2的量进行了分析,以及40 nmol / L的抑制作用48 h是最强的(数据5(一个)- - - - - -5 (c))。它也是研究如果软骨细胞功能的变化是由YAP激活引起的。此外,YAP是否是关键基因使BMSCs-Exos刺激软骨细胞的功能,狂吠,ANKRD1, CTGF, Cyr61基因被西方墨点法,RT-qPCR,免疫组织化学染色水平增强(数据5 (d)- - - - - -5 (h))。

YAP基因沉默使用小型干扰RNA来验证YAP角色。挂式+ YAP-siRNA集团aggrecan COL-II SOX9,狂吠,ANKRD1, CTGF的基因和蛋白质减少挂式相比(数字6(一)- - - - - -6 (d))。软骨细胞的增殖和迁移能力限制转染YAP-siRNA和不能增强BMSCs-Exos(数字6 (e)- - - - - -6 (h))。

3.6。R-BMSCs-Exos预防OA

的潜力液预防OA OA兔模型(图中验证7)。没有明显的逆境是各组实验中观察到。在Mo,严重的关节软骨磨损和矩阵记录损失。COL-II的表情,aggrecan, SOX9软骨而降低高il - 1的表达β和肿瘤坏死因子-α关节液中观察到。在Mo + BMSCs-Exos集团、关节软骨磨损和矩阵损失也发现;然而,莫组相比不太严重的影响。软骨组成的矩阵COL-II薄,软骨细胞排列密集的软骨细胞群,而不是在正常排列整齐的排列。的表情aggrecan SOX9很高而il - 1β和肿瘤坏死因子-α很低。在密苏里州+ R-BMSCs-Exos集团联合穿是温和的。软骨组成的矩阵COL-II略比Con组薄但比钼或钼+ BMSCs-Exos组。有增加aggrecan、COL-II SOX9表达式与莫组。没有明显的肿瘤坏死因子-α表达不同的是观察到的关节液而反对。

结果表明,R-BMSCs-Exos早期OA的进展缓慢,防止膝关节关节软骨的严重创伤。软骨细胞计数和OARSI得分图所示7 (d)

3.7。总结的治疗机制

BMSCs-Exos总结在图的作用机理8。BMSCs-Exos激活YAP信号通路。YAP激活增加了软骨细胞增殖、迁移和表型维护与降低il - 1β和肿瘤坏死因子-α表达式。Runx2表达BMSCs-Exos带来软骨细胞增殖,迁移,表现型维护和炎性指标接近正常。

4所示。讨论

关节软骨自我革新的潜力有限由于缺少潜在的干细胞龛和软骨前体细胞(26]。Runx2过度bmsc促进兔膝关节软骨再生关节软骨缺损模型(21]。Runx2的超表达腺病毒有一些副作用,和它的作用机理还不清楚。R-BMSCs-Exos避免这些缺点。

bmsc从骨髓中分离,是一种理想的种子细胞来源由于简单的可用性和高分化潜能(27- - - - - -29日]。道等人发现滑膜间充质干细胞(smsc) 10后能保持其多向分化潜力th一代(30.]。间充质干细胞(msc)的家庭因此可以用于组织再生(31日,32]。msc治疗软骨组织损伤(33]。

先前的研究表明,旁分泌机制包括液负责干细胞或祖细胞组织再生(13,34]。液源自bmsc (BMSCs-Exos)促进软骨细胞增殖、迁移,表型与维修;然而,他们没有具体的途径。YAP刺激在正常和安静水平YAP及其相应的靶基因改变。YAP促进关节软骨细胞增殖,迁移和表型维护,减少炎性指标膝盖关节液。

YAP负责从细胞膜信号转导和促进细胞增殖核(35,36]。狂吠的确切机制在软骨细胞分化是模糊的。早期软骨细胞增殖是提升,成熟是抑制37]。这种现象和使用BMSCs-Exos激活YAP产生相似的结果。SOX9及其下游基因的抑制(aggrecan和II型胶原蛋白)的关键是YAP-induced软骨细胞成熟抑制。SOX9显示良好的治疗潜力。

众所周知,Runx2对软骨有直接的影响,所以我们没有注意到它,但我们通过高通量测序发现一些基因有利于软骨再生,如mir - 92 - a - 3 - p,是高度表达R-BMSCs-Exos [38,39]。先前的研究表明Runx2软骨细胞分化的调节中发挥了重要的作用和矩阵退化(40]。Runx2的软骨细胞分化是一个积极监管机构和血管侵犯。Runx2可以促进软骨形成维护或启动早期软骨细胞分化[41]。Runx2促进软骨修复和维护软骨表型在膝盖关节软骨缺损21]。核酸可以被纳入液通过升高细胞内RNA浓度中获得的核酸使用adenovirus-based或lipid-based系统。Runx2是过表达在bmsc Runx2丰富的导出液(R-BMSCs-Exos)。Runx2-overexpressed bmsc对预防OA是优越的细胞系。

膝关节OA的兔子模型基于不稳定引起的手术。这个模型可以模拟膝关节不稳定引起的膝盖受伤,包括前交叉韧带损伤。它还能模拟关节磨损引起的解剖因素。R-BMSCs-Exos使用OA兔模型。早期OA的队伍是延迟,膝关节软骨损伤引起的OA被R-BMSCs-Exos阻止,而BMSCs-Exos的效果是有限的。

仍然有几个问题需要解决。未来的研究可能包括BMSCs-Exos的作用浓度和持续时间的影响。兔子模型选择这项工作;然而,小鼠模型是接近人类可能被选中。这些尝试将多元化的发现。

5。结论

结合本研究的数据分析显示,bmsc及其液有或没有修改显示的一种潜在的未来研究及其在临床实践中使用。

缩写

BMSCs-Exos: 液来自骨髓间充质干细胞
R-BMSCs-Exos: 液源自Runx2过度骨髓间充质干细胞
办公自动化: 骨关节炎
rbac: 兔关节软骨细胞
Ad-Runx2: Runx2腺病毒
smsc: 滑膜间充质干细胞
存在: 定量实时聚合酶链反应
PBS: 磷酸缓冲盐。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突相关的手稿。

作者的贡献

张华李和李阳设计研究。Zheng-shuai史、Han-tao Cai Ao-fei杨,大明的太阳,和许亮亮整理数据并进行数据分析。京胡锦涛和Xiang-Zhong刘写了主要的手稿文本。所有作者都阅读和批准最终提交的手稿。京,Zheng-shuai史,Xiang-Zhong刘贡献同样这个工作和co-first作者。

确认

我们要感谢所有参与者参加本研究。这项工作得到了国家自然科学基金(批准号81472103),武汉市的卫生计划生育研究基金(批准号WX18M01),武汉市“大人才”计划,武汉知识创新项目(批准号2022020801010547),湖北省卫生委员会和科学研究项目(WJ2021M010)。

补充材料

补充方法1:bmsc的分离和鉴定。补充方法2:bmsc液的分离和鉴定。补充方法3:RT-qPCR基因序列。补充方法4:软骨细胞的分离和鉴定。(补充材料)