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编号:11447994
不同海拔炎性反应综合征中骨髓基质干细胞对心肌的保护
http://www.100md.com 《第四军医大学学报》 2007年第7期
     Protective effect of bone marrow stem cell mobilization on myocardium in systemic inflammatory response syndrome rat at different altitudes

    ZHANG Yong, WANG Hui, LIANG JiaLi, JIANG GuanHua, ZHENG XiaoZhou, YANG Zhe, ZHANG Bo

    1Department of Cardiovascular Surgery

    2Department of Ultrasound Diagnosis, Jinan General Hospital, Jinan Military Area Command, Jinan 250031, China

    【Abstract】 AIM: To study the therapeutical effect on myocardium in systemic inflammatory response syndrome (SIRS) rat at different altitudes through mobilizing marrow stem cells (MSCs) by applying granulocyte colony stimulating factor (GCSF) and stem cell factor (SCF). METHODS: The twohit models of SIRS rats were established at three different altitudes (50, 1510, 3900 m). Before modeling, GCSF and SCF was administrated by subcutaneous injection. Rats were killed 24 h after modeling. Isolated hearts from rats were mounted on a Longendorff apparatus to estimate left ventricular systolic and diastolic functions. The expression of Fas mRNA and the activity of caspase3 in myocardium were detected. Frozen myocardium was analyzed by highpressure liquid chromatography for the concentration of adenosine triphosphate (ATP). Double immunofluorescence was employed for the expressions of αSarcomeric actin and CD44. RESULTS: Compared with the high altitude groups, the left ventricular function of SIRS rat was better in low altitude groups (P<0.05). Compared with the GCSF and SCF groups, the left ventricular function was decreased (P<0.05), the concentration of myocardial ATP were lower (P<0.05), the expression level of Fas mRNA and the activity of caspase3 were higher in GCSF and SCF noapplied groups (P<0.01). Myocardial cell specific protein αSarcomeric actin and MSCs specific protein CD44 were positive in GCSF and SCF groups. CONCLUSION: Through applying GCSF and SCF, MSCs were mobilized into the myocardium and induced to differentiate into myocardial cells in SIRS rat. GCSF and SCF may present the protection on myocardium of SIRS rat at different altitudes.

    【Keywords】 systemic inflammatory response syndrome; myocardium; GCSF; SCF; marrow stromal cells

    【摘要】 目的: 应用粒细胞集落刺激因子(GCSF)和干细胞因子(SCF),联合动员骨髓基质干细胞(MSCs)探讨在不同海平面发生高原急性全身炎性反应综合征(SIRS)中大鼠心肌的治疗作用. 方法: 分别在海拔三个梯度(50,1510,3900 m)建立大鼠两次打击SIRS模型. 建立模型前应用重组人粒细胞集落刺激因子(rhGCSF)和重组人干细胞因子(rhSCF),建立模型后24 h处死大鼠,取心肌标本,利用离体鼠心非循环式Langendorff 灌流功能测定模型,测定左心室收缩及舒张期功能;利用高压液相色谱仪检测心肌线粒体三磷酸腺苷(ATP). 检测心肌中Fas mRNA和Caspase3的表达. 应用激光共聚焦显微镜观察MSCs在心肌内的分化再生的情况. 结果: 在低海平面发生SIRS的大鼠,心功能较高海平面的大鼠明显增高. 在联合应用GCSF和SCF后,在不同海平面发生SIRS的大鼠心肌收缩及舒张期功能较未用组增高明显,心肌组织ATP含量增高,心肌细胞凋亡数量减少,心肌组织中Fas mRNA和Caspase3的表达下降,同时可见MSCs向心肌细胞分化. 结论: 联合应用GCSF和SCF后可以提高发生 SIRS大鼠的心功能. 其机制与动员MSCs修复坏死的心肌组织有关.

    【关键词】 全身炎性反应综合征;心肌;粒细胞集落刺激因子; 干细胞因子;骨髓基质干细胞

     0 引言

    全身炎性反应综合征(systemic inflammatory response syndrome, SIRS)是机体释放内源性介质引起的全身性炎症反应, SIRS继续发展可以导致多脏器功能不全综合征(multiple organ dysfunction syndrome, MODS )的发生. 以高原低氧为轴心的高原环境暴露因素是SIRS/ MODS发生发展的分子启动环节和敏感诱因[1]. 目前有关联合应用粒细胞集落刺激因子(granulocyte colony stimulating factor,GCSF)和干细胞因子( stem cell factor, SCF)是否能够动员骨髓基质干细胞(marrow stromal cells, MSCs)向心肌细胞的分化,保护心脏功能的研究报道较少. 本实验利用在不同海平面SIRS/ MODS动物模型,观察联合应用GCSF和SCF以动员自体MSCs进行“自我移植”,对不同海平面环境中发生急性SIRS/ MODS动物心肌的影响,旨在为进一步探讨防治方案提供依据.

     1 材料和方法

    1.1材料

    健康成年雄性Wistar大鼠, 体质量250~350 g,由济南军区总医院实验动物科提供18只,兰州军区总医院实验动物科提供36只. 重组人粒细胞集落刺激因子(rhGCSF),上海三维生物技术有限公司;注射用重组人干细胞因子(rhSCF),美国Amgen 公司;高效液相色谱仪,美国Waters公司;TUNEL原位末端标记试剂盒,美国Interge公司;PCR引物由上海生工生物有限公司合成; 兔抗大鼠CD44IgG,小鼠抗大鼠心肌α横纹肌肌动蛋白IgG(αSarcomeric actin),羊抗兔IgGBiotin和羊抗小鼠IgGBiotin,荧光FITCAvidin和CY3Avidin,均购自武汉博士德生物工程有限公司;Caspase3荧光分析试剂盒,美国Clontech公司.

    1.2方法

    1.2.1实验分组

    按实验海拔高度分为A,B,C三个大组. A大组在马汉山梯度(海拔3900 m),B大组在兰州梯度(海拔1510 m),C大组在济南梯度(海拔50 m). 每个大组再按实验动物是否在实验前注射rhGCSF和rhSCF(皮下注射rhGCSF 20 μg/kg, 2次/d; rhSCF 20 μg/kg, 2次/d,共14 d[2]),分为实验组和对照组两个小组. 所有动物均在实验后24 h处死,每个小组大鼠为9只.

    1.2.2SIRS/ MODS动物模型的建立及心功能的测定

    实验前大鼠被禁食12 h. 大鼠经氯胺酮麻醉(20 mg/kg),仰卧位固定于手术台上,常规消毒,解剖股动静脉或颈动静脉,按照文献[1]的方法制作大鼠低血压休克复苏模型. 24 h后大鼠腹腔注射内毒素5 mg/kg ( O55:B5 Sigma),而后将动物在24 h后处死,将大鼠心脏迅速移至Langendorff灌注装置上,测定左心室舒张期末压(LVEDP),左心室收缩期末压(LVESP),左心室压力变化率(dp/dtmax,dp/dtmin).

    1.2.3心肌三磷酸腺苷(ATP)测定

    采用高效液相色谱仪. 称取心肌组织,匀浆,高速离心,取上清液20 μL进高效液相色谱仪分析.

    1.2.4凋亡细胞的原位末端标记(TUNEL)及分析

    按TUNEL原位末端标记试剂盒说明进行染色. 结果判断:光镜下正常心肌细胞核呈蓝色,凋亡细胞核呈深浅不一的棕色,即阳性细胞. 每张切片选择5个视野,每个视野计算200个细胞中阳性细胞数,计算阳性细胞所占的百分比作为细胞凋亡指数(apoptosis index,AI).

    1.2.5Fas基因mRNA表达的检测及半定量分析

    采用RTPCR检测心肌中Fas及βactin(作为内对照)的mRNA表达变化,扩增Fas的引物序列: 上游引物 5′ CCAGGGACTGATAGCATCTTTGAGG 3′,下游引物 5′ TGTGAAAGTCCTGAACCCTAAGG 3′;βactin上游引物 5′ TCATGAAGTGTGACATCG 3′,下游引物 5′ AAACTGCACGTGTGTAAAC 3′. Fas扩增片段的长度为436 bp,βactin扩增长度为289 bp. 经密度扫描仪扫描分析结果,以Fas/βactin积分比值反映心肌细胞Fas mRNA表达指标.

    1.2.6心肌Caspase3活性测定

    按Caspase3荧光分析试剂盒操作说明进行检测. 绘制标准曲线,计算Caspase3活性.

    1.2.7心肌细胞免疫荧光检测

    取心肌的冰冻切片,分别随机在马汉山梯度两组中各选择10张做双重免疫荧光标记染色,检测CD44和心肌α横约肌肌动蛋白的表达. 一抗为兔抗大鼠CD44IgG,小鼠抗大鼠α横约肌肌动蛋白IgG;二抗为羊抗兔IgGBiotin和羊抗小鼠IgGBiotin;三抗为荧光FITCAvidin和CY3Avidin. 激光共聚焦显微镜观察心肌细胞CD44 (绿色)和α横约肌肌动蛋白(红色)的荧光着色,检测是否有新生心肌细胞.

    统计学处理:实验数据均以x±s表示,采用析因设计的方差分析,应用SPSS 11.0软件处理分析.

     2 结果

    2.1心功能的变化

    结果显示,注射GCSF和SCF的各实验组中反应左心室收缩功能指标LVESP和+dp/dtmax均较对照组明显增高;而反应左室舒张功能指标LVEDP和dp/dtmax均较对照组低(表1).

    2.2心肌三磷酸腺苷变化

    各组发生高原急性SIRS/ MOD的大鼠心肌组织中ATP的含量: A大组实验组为(249.27±48.12) μg/g, 对照组为(152.65±43.22) μg/g; B大组实验组为(343.57±49.64) μg/g, 对照组为(297.95±62.35) μg/g; C大组实验组为(479.36±58.62) μg/g, 对照组为(409.25±49.25) μg/g. 注射GCSF和SCF的实验组大鼠心肌组织ATP的含量较对照组高(P<0.05), C大组实验组大鼠心肌组织ATP的含量较A大组的大鼠高(P<0.05).

    2.3心肌细胞凋亡变化与对照组比较

    实验组心肌细胞凋亡指数均显著减少(P<0.01),心肌细胞Fas mRNA表达均显著性下降(P<0.01),心肌Caspase3活性明显降低(P<0.01),C大组心肌细胞凋亡数量最低,B大组次之,A大组心肌细胞凋亡数量最多(表2).表1各组大鼠LVESP,LVEDP和±dp/dtmax的变化(略)表2心肌细胞凋亡指数,Fas mRNA表达及Caspase3活性(略)

    2.4免疫荧光标记染色

    动员MSCs 14 d后,实验组同一心肌切片中可见较多的心肌α横纹肌肌动蛋白和CD44双重荧光染色的呈阳性,而对照组心肌细胞无明显的CD44显色. 说明实验组动员MSCs向心肌细胞分化(图1).

    3 讨论

    SIRS/MODS是多因素诱发的临床综合征,发病机制复杂. SIRS/MODS双相打击模型充分反映了SIRS/MODS的临床特征[2]. 本实验中,大鼠注射内毒素后出现毛发颜色枯黄紊乱,动物食欲下降、烦躁、呼吸急促,部分伴有颤抖,约4~5 h后出现精神萎靡,反应迟钝,活动明显减少.

    急进高原后发生SIRS/MODS,炎性介质可诱导心肌细胞表面Fas表达增加,激活Caspase3而导致细胞凋亡[3]. 本试验结果显示,低海拔平面进行实验的大鼠心功能均较高海拔平面的大鼠为增高,心肌细胞凋亡数量减少.

    MSCs可以向心肌细胞分化,同周围宿主细胞形成功能合胞体[4]. GCSF和SCF是MSCs强有力的动员剂,可以大幅度的提高外周血MSCs的水平,使其迁移到心肌组织,分化为功能心肌细胞[5]. 本实验结果表明,经过GCSF和SCF动员后,可提高发生在不同海平面SIRS/ MODS的大鼠心功能,心肌组织ATP含量增高,心肌组织Fas mRNA表达下降,大鼠心肌Caspase3活性减低,心肌细胞凋亡数量减少. 心肌内有一些细胞既呈现MSCs特有的CD44阳性,又呈现心肌细胞特有的α横约肌肌动蛋白阳性,这提示可能为自体的MSCs分化成为心肌细胞,使功能细胞增多,减少心室重构所致.A: CD44阳性(绿色) ;B: α横纹肌肌动蛋白 (红色);C: α横纹肌肌动蛋白和CD44共同显色.

    【参考文献】

    [1]West JB. The physiologic basis of highaltitude diseases[J]. Ann Intern Med, 2004,141(10):789-800.

    [2]Wells CL, Hess DJ, Erlandsen SL. Impact of the indigenous flora in animal models of shock and sepsis[J]. Shock,2004,22(6): 562-568.

    [3]Freitas I, Fernandez M, Essenfeld SE, et al. Serum levels of the apoptosisassociated molecules, tumor necrosis factoralpha/tumor necrosis factor typeI receptor and Fas/FasL, in sepsis[J].Chest ,2004,125(6):2238-2246.

    [4]张勇,陈如坤. 兔缺血心肌中移植自体骨髓基质干细胞的治疗作用[J]. 第四军医大学学报,2006,27(11):1986-1988.

    [5]Kang HJ, Lee HY, Na SH, et al. Differential effect of intracoronary infusion of mobilized peripheral blood stem cells by granulocyte colonystimulating factor on left ventricular function remodeling in patients with acute myocardial infarction versus old myocardial infarction: The MAGIC Cell3DES randomized, controlled trial[J]. Circulation,2006,114(1):I145-151.

    济南军区总医院:1心血管外科,2超声诊断科,山东 济南 250031

    基金项目:全军医药卫生“十一五”科研项目(06MA102), 百拇医药(张勇,王惠,梁家立,姜冠华,郑晓舟,杨哲,张波)