不同应力条件对体外培养成肌细胞命运的影响

来源 :中国美容医学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:jinshuxian
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  [摘要]目的:探讨对体外培养成肌细胞施加不同牵张应力后细胞命运的改变,为临床合理施加矫形力提供理论依据。方法:利用Flexercell细胞加力仪器与弹性加力板对体外培养C2C12成肌细胞施加不同频率、幅度的牵张应力,形变量代表应力幅度。通过MTT实验和PARP剪切实验测定在受到不同大小的牵张应力作用下(0%,5%,10%,15%,20%/10 cycles/min)的C2C12细胞的增殖和凋亡情况,通过检测细胞分化相关基因的表达改变,分析应力条件下细胞分化状态的改变。结果:5%的周期性应力可以促进细胞的增殖,同时抑制分化培养基诱导的细胞分化相关基因myogenin等的表达。当牵张应力大于10%后,可以观察到明显的DNA断裂。除此以外,我们还发现牵张应力大于10%后,细胞内开始出现大量的PARP剪切产物,随应力的增加而增多。当周期性牵张应力超过15% 10cycles/min时,整体存活细胞数明显降低。结论:高强度牵拉介导的细胞凋亡,参与整体细胞数的减少,可能不利于组织的重塑和再生。
  [关键词]周期性牵张应力;凋亡;增殖;分化
  [中图分类号]Q813.1[文献标识码]A[文章编号]1008-6455(2011)07-1087-03
  
  Correlation between cyclic stretch magnitudes and myoblasts cell fate in vitro
  KUANG Wei1, TAN Jia-li2, ZHANG Hong-mei3, DUAN Jian-min1, WANG Wei-jian1, LI Xiao1
  (1.Depatment of Stomatology, Guangzhou General Hospital of Guangzhou Military Command, Guangzhou 510010, Guangdong,China;2.Department of Orthodontics, School of Stomatology, The Fourth Military Medical University; 3.Department of Stomatology, Tangdu Hospital, The Fourth Military Medical University)
  
  Abstract:ObjectiveTo investigate the detailed effects of the cyclic stretches of a serial of magnitudes on cell growth, differentiation and apoptosis. C2C12 myoblasts were subjected to 0%, 5%, 10%, 15%, 20% /10 cycles / min cyclic stretch.MethodsFlexercell stretch unit was applied in this study. We first evaluated cell viability upon serial cyclic stretches (0%, 5%, 10%, 15%, 20% /10 cycles / min). MTT assay was applied to test cell viability and proliferation. Western blot of cleaved PARP was done to test the apoptosis. In addition, cell were induced in myogenic differentiation medium under serial cyclic stretches, differentiation gene marker myogenin was tested by RT-PCR.ResultsWhen the extension magnitude is about 5%, cell growth was facilitated. In contrast, myogenic medium induced cell differentiation under this condition was inhibited as seen by myogenin expression. With the extension magnitudes exceeding 15% 10cycles/min, cell viability decreased. Since both proliferation and cell death affected the MTT results, we then tested whether apoptosis was involved in the process. Abundant PARP cleavage was observed when the cyclic stretches were over 15%.ConclusionsLow magnitude of stretch inhibited proliferation and promoted proliferation while excessive stretch induced apopsis.
  Key words: cyclic stretch, apoptosis, proliferation, differentiation
  
  口腔颌面部的畸形严重影响患者的身心健康和家庭幸福,功能矫形治疗成为重要的治疗手段。面颌部肌肉组织的适应性变化在牙颌面畸形的矫治中扮演着重要角色。功能矫形通过矫治器引起口周肌和咀嚼肌一定程度的收缩,使功能过度或功能不足的肌肉恢复正常,并将产生的力传递到牙、牙弓及颌骨等需要矫治的部位,利用肌力引导口颌骨系统正常生长发育[1]。整个过程中,肌肉的适应性改建对矫形治疗的最终效果具有重要的意义,因此探讨肌肉的功能和结构改建过程中细胞增殖、分化、凋亡的的命运与矫形力之间的关系,进一步说明力学条件下肌肉细胞的适应性重构的生物学机理,将会为功能矫形的临床应用提供理论依据,同时也会为矫形治疗的优化和改进提供重要信息[2]。
  本研究拟通过观察体外培养小鼠C2C12成肌细胞,系统的观察不同应力条件对细胞的增殖、分化、凋亡的命运的影响,以期为不同应力引起肌肉改建提供理论依据。
  
  1材料方法
  1.1 细胞培养:取液氮冻存细胞C2C12(购于美国ATCC)快速置于37℃待完全融化,C2C12细胞复苏后,6h后换液去除未贴壁的细胞,剩下的细胞隔天换液。培养基为上述配好的DMEM。具体条件为将细胞培养箱中温度设定为37℃,CO2浓度为5%,全程保证孵箱的湿度饱和。
  当诱导细胞分化时,改用2%的胎牛血清培养。
  1.2 细胞加力:采用Flexercell Strain Unit系统(Flexercell International; McKeesport, PA)对细胞进行加力[3],该装置的牵张力的大小按细胞表面的伸长比率(幅度)计算,其对细胞表面拉伸的范围为0%~20%。实验分组:本实验共分五组,每组实验进行6个孔,其中三孔为凋亡和存活实验,另3个孔为细胞分化(即分化培养基培养)实验。第一组:对照组,对细胞施加0%拉伸率,24h;第二组:处理组1,对细胞施加5%拉伸率,24h;第三组:处理组2,对细胞施加10%拉伸率,24h;第四组:处理组3,对细胞施加15%拉伸率,24h;第五组:处理组4,对细胞施加20%拉伸率,24h。
  1.3MTT检测存活细胞数:将上述实验的细胞消化离心后,稀释接种至96孔培养板中,每个处理孔接种3孔,每孔200μl。常规培养上述细胞4h,该过程细胞贴壁但又不发生增殖。加入MTT并呈色:每孔加入配置好的MTT溶液20μl,孵箱中继续孵育4h,吸弃培养孔中培养基,每孔加入200μl的DMSO。读数:用多功能酶标仪选择490nm波长,测定光吸收值(A),测定前充分振荡。统计学分析、比较各组之间细胞相对数目的多少。
  1.4RT-PCR:收获上述不同处理的细胞,移入1.5ml离心管中,加入1ml Trizol,混匀,室温静置5min。加入0.2ml氯仿,振荡15s,静置2min。4℃离心,12 000g×15min,取上清。加入0.5ml异丙醇,将管中液体轻轻混匀,室温静置10min。4℃离心,12 000g×10min,弃上清。加入1ml 75%乙醇,轻轻洗涤沉淀。4℃,7 500g×5min,弃上清。晾干,加入适量的DEPC H2O溶解(65℃促溶10~15min)。再根据说明书进行逆转录反应,PCR反应,琼脂糖凝胶电泳。
  1.5 Western Blot:细胞实验结束后,去除培养液,冰上预冷的PBS清洗2~3遍,加入适量的冰预冷的、加有蛋白酶抑制剂、磷酸酶抑制剂的细胞裂解液后置于冰上20~30min;细胞刮适当刮取细胞;12 000g离心,4℃,2min;取少量上清进行定量,余下的样品加loading buffer沸水中煮沸5min。根据蛋白定量结果,确定上样量,以备电泳使用。电泳,转膜,卸胶,转膜,封闭。一抗孵育,二抗孵育,蛋白检测。
  1.6 统计方法:所有结果以x±s表示,两组间比较采用t检验;多组间比较,采用卡方检验。
  
  2结果
  2.1 体外培养C2C12成肌细胞。如图1。
  2.2 不同周期性拉伸引起细胞存活细胞数目的变化:为了研究周期性拉伸力的幅度对细胞存活情况的影响,我们首先通过台盼蓝拒染实验和MTT法粗略检测了细胞的存活情况。MTT结果显示(图2),低幅度的拉伸力(5%和10%)使得细胞存活数目增多(虽然没有统计学意义,但5%的拉伸条件下细胞数目较10%多),而随着拉伸力的增加,细胞数目转而出现下降,当拉伸条件为15%及20%时,细胞数目显著降低至低于对照。由此可见,较大幅度的拉伸显著降低细胞存活率。台盼蓝拒染实验得出类似的结果。
  2.3 较低幅度的应力抑制成肌细胞的分化并促进其增殖:细胞增殖和细胞分化是一种矛盾统一,为此,我们想探讨不同幅度的拉伸对细胞分化的影响。结果发现,在分化培养基条件下,低幅度拉伸细胞,细胞的分化标志分子,myogenin表达水平与对照相比,明显降低,尤以5%低幅度明显(图3)。以上结果表明,低幅度的拉伸可以抑制细胞的分化。
  2.4 较强应力引起成肌细胞的凋亡:细胞的存活与细胞的增殖和细胞的凋亡相关,为了进一步探讨高强度拉伸条件下,细胞数目减少的原因是细胞增殖减少,还是细胞凋亡的增多。我们进一步通过DNA ladder实验和PARP剪切实验检测了细胞凋亡的情况。结果发现,随着拉伸幅度的增加,剪切型的PARP逐渐增多(图4)。
  3讨论
  3.1 口腔颌面部的畸形严重影响患者的身心健康和家庭幸福,功能矫治成为重要的治疗手段。面颌部肌肉组织的适应性变化在牙颌面畸形的矫治中扮演着重要角色。探讨矫形力对肌肉细胞的增殖、分化、凋亡的具体影响和分子机制,对进一步认识矫形治疗的分子机制以及合理利用矫形力提高临床预后具有重要意义。
  3.2 成肌细胞是肌组织的前体细胞,在骨骼肌的稳态维持和肌肉组织创伤修复过程中扮演十分重要的作用[5]。这类成肌细胞在组织原位为卫星细胞,正常状况下肌卫星细胞处于相对静止和转录不活跃状态,但当机体遇到生长、重塑或肌肉损伤等刺激时,卫星细胞就被激活,增殖并分化成肌肉细胞[6]。这些细胞再融合进已存在的骨骼肌纤维中,或者彼此融合,形成新的肌纤维。而细胞系C2C12具有与成肌细胞类似的生物学行为和特征,常被用来进行成肌细胞功能学的实验[7]。
  3.3 细胞增殖、分化、凋亡是器官发生和组织创伤修复和重建的重要的细胞行为,而应力条件下组织合理的重建对于矫形医学至关重要[8]。在组织重建过程中,我们一方面需要通过细胞增殖实现对缺损和损伤组织的修复,另一方面增殖的细胞又必须是有功能的,也就是说,新增殖的细胞必须经过成熟分化,否则这种增殖是无意义的。除此之外,在组织重建过程中,细胞的凋亡也是必不可少的,因为,有些丧失功能的细胞以及没有功能的细胞必须通过细胞凋亡的方式清除掉。总的来说,细胞增殖、分化、凋亡的和谐统一是组织重建的需要。为此,在临床实践过程中,我们必须合理使用矫形力(幅度和频率),使得细胞的增殖、分化和凋亡向着我们需要的方向发展。本研究发现不同应力条件下,细胞的增殖、分化、凋亡的命运不同。低强度的应力拉伸促进了细胞的增殖,抑制了细胞的分化;而高强度的应力拉伸促进了细胞的凋亡。
  据此,我们将在分化条件下培养成肌细胞,同时施加低强度应力刺激,观察成肌细胞分化标志myogenin等的表达变化,明确应力刺激对分化的影响[9]。应力改变细胞命运必然是通过基因的表达调控实现的,也就是说,低强度应力最终还是通过改变重要基因的表达改变细胞分化命运的。
  3.4 值得提出的是,本部分实验只是体外的细胞学实验,具有很多局限性。首先,本部分实验仅仅采用细胞系C2C12,该细胞系被认为是成肌细胞,而它能否代表体内的卫星细胞,需要进一步实验证明[10]。而该细胞能否代表体内绝大多数的终末分化的肌肉细胞,就更需要验证。有研究表明,成肌细胞的凋亡和分化肌肉细胞的凋亡机制不尽相同。其次,在临床实践过程中,矫形力的作用分外复杂,除了对组织的拉伸以外,更有对组织的压迫,以及组织拉伸后,其后方组织空间位阻的减少。这些力学行为后细胞行为的改变都值得研究。拉伸研究的结果能否应用于压迫的研究,是一个非常有意义而又有待解决的重要问题。
  
  [参考文献]
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  [收稿日期]2011-03-23[修回日期]2011-05-12
  编辑/张惠娟
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