骨骼肌卫星细胞的研究现状.doc

骨骼肌卫星细胞的研究现状阎振鑫S111666（四川大学生命科学学院细胞生物学专业 成都）摘要：肌卫星细胞是目前公认的骨骼肌干细胞，负责骨骼肌生长和损伤修复。干细胞研究成为医学研究领域的热点，肌卫星细胞移植成为治疗骨骼肌损伤萎缩和心肌坏死的新的治疗方案，具有广阔的前景。肌卫星细胞的体外培养中大多采用胰酶胶原酶两步消化法得到细胞悬液。在原代培养中最关键的是细胞的纯化。防止成纤维细胞的污染，主要是采用查速铁壁的方法将细胞分离。胰岛素多肽家簇、MyoD转录因子家族和MEF2家族等对肌肉的形成起重要的调控作用。关键词：骨骼肌 卫星细胞 体外培养 干细胞移植肌卫星细胞是小的单核梭形细胞，是源于胚胎中胚层的干细胞，在正常骨骼肌中，它位于基底膜与肌纤维浆膜之间，处于静止状态。当受到外界刺激，在应激状态下可以分裂、增生，形成新的肌纤维，是骨骼肌再生的储备力量，负责骨骼肌的生长和损伤修复。因此,肌卫星细胞特有的成肌能力倍受重视1-4。目前，干细胞研究成为医学领域研究的热点，肌肉干细胞因直接参与分化骨骼肌而受世人关注。胚胎和成体内都存在肌肉干细胞，成人体内存在两类具有干细胞样特性的细胞，一类称为卫星细胞 (Satellite Cells，SC)也叫成肌祖细胞 (Myogenic Progenitor Cell，MPC)，另一类称为肌源干细胞(Muscle Derived Stem Cell，MDSC)，也叫群旁细胞 (Side Population S，SP)，后者在数量上远少于前者。目前公认的肌肉干细胞主要是指肌肉卫星细胞5。近年来，国外有报道将肌卫星细胞移植到冻伤的骨骼肌中，可改善肌肉功能6。组织缺损或器官功能障碍是人类保健中发生频繁、危害性大、花费高的问题之一。近年来随着组织工程技术的发展，应用肌组织工程技术，进行骨骼肌再生代替以往的手术方法修复动力性瘫痪，以其特有的优点避免了以往手术的缺陷，为瘫痪肌肉的动力修复开创了一个崭新的研究前景。另外，骨骼肌可能会通过分泌低分子量细胞因子即骨骼肌源性抑瘤物显著抑制肿瘤细胞生长7-10。现就肌卫星细胞的研究现状作一综述。1肌卫星细胞的体外培养1961年Mauro首先发现了肌卫星细胞，并推测肌卫星细胞实质上是一种处于休眠状态下的成肌细胞11，是肌细胞核的一种来源。肌卫星细胞作为肌组织工程技术的种子细胞，它的体外培养、鉴定及生物学特性已有大量实验研究，取得了显著的成果 12 。培养肌卫星细胞的材料来源，目前多数取自兔、鼠、犬、鸡等的肌肉组织，人体肌卫星细胞的培养已有报道，培养方法多采用胰酶、胶原酶分步消化，分离出单个成肌细胞，通过差速贴壁法去除混杂的成纤维细胞，再进行单层细胞培养。在这些步骤中纯化卫星细胞防止纤维细胞的污染是关键，在这个步骤中较好的做法是：采用PrePlate差速贴壁法进行细胞纯化，去除杂质细胞的污染。将细胞接种于明胶包被的培养瓶中培养2h，贴壁细胞为P1P；未贴壁细胞悬液转皿培养12h，贴壁的细胞为P1P2；未贴壁细胞悬液再转皿培养24h，贴壁的细胞为P1P3，未贴壁细胞悬液转皿培养24h，贴壁的细胞为P1P4；再次将未贴壁的细胞悬液转皿培养24小时，贴壁的细胞为P1P5。P1P5培养3d后换液，以后隔天换液1次，倒置显微镜下观察，待细胞生长至70%汇合度后传代培养。骨骼肌卫星细胞属于组织干细胞，其体外培养的优点是取材方便，产量大，具有较强的增殖分化能力，营养条件好,如培养基中加入15 %20 %的动物血清(即生长培养基)，成肌细胞以分裂、增殖为主。一旦成肌细胞长满整个培养瓶，相互接触时，增殖将明显受到抑制，表现为相邻成肌细胞相互融合，形成肌小管，表现出分化倾向。降低培养液中营养条件，如动物血清不超过5 %(即融合培养基)，能明显促进分化，使单位数目的成肌细胞形成肌小管的百分比增加。因此骨骼肌卫星细胞在肌组织工程研究中具有广阔的应用前景13，临床应用奠定了良好的基础。2 调控肌卫星细胞发育的相关基因及各因子 胰岛素样生长因子(IGFs)属胰岛素多肽家簇，主要包括IGF-1和IGF-2两种，分别由70和67个氨基酸组成，结构上有62 %相同,据文献报道肌肉损伤后15 h可见再生骨骼肌细胞和肌卫星细胞表达IGF-1。IGF-1和IGF-2在发育骨骼肌中高水平表达，但在成熟骨骼肌水平很低14。睫状神经营养因子(CNTF)是一种具有神经营养功能的酸性蛋白质，近年来的研究发现它对肌肉也有营养作用,其作用途径可分为两个方面：一方面通过对肌肉的直接营养作用维持正常骨骼肌的形态和功能，参与神经肌肉损伤的修复。坐骨神经损伤后，大量的CNTF被释放，同时骨骼肌睫状神经营养因子受体亚单位(CNTFR)的表达量增加数十倍，这种CNTF和CNTFR的协同作用可能在神经肌肉损伤修复中具有重要作用。另一方面CNTF能改善去神经所致的骨骼肌萎缩和继发性功能丧失，现已有人开展了用CNTF防止骨骼肌去神经性萎缩的药效动力学研究。MyoD转录因子家族对于肌形成是必须的15，作为成肌调节因子(MRF)家族四成员(MyoD、MRF5、myogenin、MRF4)之一，肌分化因子(MyoD)不仅可促使静止期的肌卫星细胞向成肌细胞转化,，且能把许多种类型细胞(如成纤维细胞、脂肪细胞等)转化为成肌细胞，并可促进成肌细胞进一步融和、分化为成熟的肌纤维。在肌形成肌肉特异基因转录调控中MyoD起着总开关的作用，可以结合到肌细胞生成素(myogenin)、肌酸激酶CK、肌球蛋白、结蛋白等基因启动子区发挥重要调控作用，促进它们的转录激活。MyoD基因家族成员以肌肉特异性基因转录激活物的形式发挥作用16，它们具有bHLH结构域, 与肌肉特异性基因调控区常见的顺式作用元件E-box结合。MEF2(myocyte enhancer - bingding factor2) 家族的4个成员MEF2A - D的表达有助于肌肉特异性基因的激活17 ，它们与MyoD基因家族成员具有正协同作用。目前在小鼠中已经证实，myogenin中含有MEF2转录因子的结合位点，MyoD家族的其它成员中尚未见相关报道。目前有两种机制来解释MEF2转录因子的作用模式: MEF2 通过其转录激活结构域直接与肌肉特异性基因启动子或增强子结合，MEF2可能作为生肌作用的一种强制性辅助因子(cofactor)与MyoD/ E12 杂和二聚体发生相互作用18 ,1 9 。 图1 MyoD基因家族成员与其它因子的相互作用203 肌卫星细胞移植对骨骼肌及心肌再生的作用 Koh等211993年首次报道了将卫星细胞C2C12系成功移植到正常小鼠心脏，并观察形成具有骨骼肌细胞特征的多核肌管，从此掀开了骨骼肌卫星细胞移植治疗心梗的新篇章。由于卫星细胞可以从病人自身获得，此研究在临床上具有广阔的应用前景。肌卫星细胞作为一种治疗心肌梗死的供体细胞具有较多的优点，包括在体外有增殖能力，在缺血组织内仍然能够成活，能够进行自体移植等，但其标记问题一直是困绕人们的难题之一，尤其是超微结构研究方面。但目前在供体细胞的选择、标记追踪方面存在很多的分歧，治疗机制也不十分清楚22-23。长期失神经支配的骨骼肌，肌卫星细胞含量下降，肌细胞核数量也下降，肌纤维变性坏死。当神经再支配时，由于肌卫星细胞耗竭，肌细胞再生能力下降，影响了骨骼肌功能的恢复。因此，增加骨骼肌中的肌卫星细胞能够促进肌纤维的再生，可提高神经修复手术的疗效。由于近年来对肌卫星细胞成肌规律的进一步了解，骨骼肌再生修复动力性瘫痪的研究受到了医学工作者们的重视并已取得了瞩目的进展，为瘫痪肌肉的动力修复开创了一个崭新的研究前景。4 肌组织工程的应用前景 肌卫星细胞作为肌组织工程的种子细胞来修复瘫痪肌肉，以恢复肌肉动力的功能有广阔的前景和实用价值。目前，肌卫星细胞与型胶原凝胶复合研究较多，型胶原能促进肌卫星细胞贴壁，而且在体外能很好地促进肌卫星细胞分化，使肌卫星细胞融合的百分比增加。目前研究较多的是肌卫星细胞的体外培养及增殖，将该细胞移植到体内的成肌效应目前研究甚少。因为肌组织工程技术距临床应用还有很大的差距，所以还需大量的研究工作来完善肌组织工程技术，为临床应用打下坚实的理论与实验基础。参考文献1 何波,郑嵘,熊远著,等.新生骨骼肌卫星细胞的培养鉴定及生物学特性J .畜牧兽医学报,2006,37(6) :555- 559.2 秦瑞峰,顾小明,封兴华,等.小鼠骨骼肌细胞体外培养的增殖及分化关系J .临床口腔医学杂志,2004,20(9) :535- 536.3 邵素霞,张雷,赵春芳,等.新生大鼠骨骼肌卫星细胞的原代培养及标记方法J .基础医学与临床,2004(1) :79- 82.4 Baroffio A , Piallat MLB , Gabbiani G ,et al. Heterogeneity in t heprogeny of sing human muscle satellite cells J . Differentiation ,1995 ,59(4) :259 .5 Alessandra Sacco, Regis Doyonnas, Regis Doyonnas, et al. Self-renewal and expansion of single transplanted muscle stem cellsJ. Nature,2008,456:502-506.6 HONGBINJ,HUI L,JOSEPHX,et al .Control of slow myosin heavy chain 2 gene expression by glycogen synthase kinase activity in skeletal muscle fibers.J .Cell TissueRes,2006,323:489- 494.7 汪涛,唐军民,舒丹毅,等.小鼠成肌细胞的体外培养及生物学特性的观察J .天津医科大学学报,2002,8(2) :182- 186.8 王邦茂,陈鑫,张文治,等.成年大鼠骨骼肌卫星细胞原代培养及鉴定J .天津医科大学学报,2002,8(4) :463- 465.9 陈从波,姚启盛,王卫民,等.骨骼肌卫星细胞纯化及培养的实验研究J .实用医学杂志,2006,22(7) :760- 762.10 张志,谢富康,冯英.大鼠肌卫星细胞成肌分化的体外实验研究J .解剖学报,2006,37(4) :455- 457.11 Mauro A. Satellite cell of skeletal muscle fibers. J Biophys Biochem Cytol, 1961,9:493495.12 邬江,孙晓娟,钟世镇. 组织工程用大鼠卫星细胞的体外筛选J . 中华显微外科杂志,2002 ,25(2) :123125 .13 Row ley J A ,Madlanmbayan G ,Mooney DJ . Alginate hydrogels as synthetic extracellular matrix materials J. Biomaterials , 1999 ,20(1) :4553 .14 Caroni P. Activity-sensitive signaling by muscle-deriver insulin-like growth factors in the developing and regenerating neuromuscular systemJ . Annu N Y Acad Sci , 1993 , 692 : 209222 .15 Rudnicki M.A., and jaenisch R., 1995, The MyoD family of transcription factors and skeletal myogenesis, Bioessays, 17:20320916 Olson E. MyoD family: a paradigm for development ? J .Genes Dev, 1990 , 4(9) : 1 454 - 1 461.17 Ludolph D, Konieczny S. Transcription factor families: muscling in on the myogenic programJ . FASEB J, 1995 ,9(15) : 1 595 - 1 604.18 Molkentin J , Black B , Martin J , et al. Cooperative activation of muscle gene expression by MEF2 and myogenic bHLH proteinsJ . Cell, 1995 , 83(7) : 1 125 - 1 136.19 Buchberger A , Ragge K, Arnold H. The myogenin gene is activated during myocyte differentiation by pre-existing, not newly synthesized trans