基于甲基丙烯酸酐化明胶悬滴培养小鼠毛乳头细胞制备仿生毛乳头球的生物活性及其在裸鼠中的毛发诱导功能

目的探讨基于甲基丙烯酸酐化明胶(GelMA)仿生微环境与悬滴法三维培养小鼠毛乳头细胞(DPC)制备仿生毛乳头球的生物活性及其在裸鼠中的毛发诱导功能。方法采用实验研究方法。采用酶消化法获取雄性5~6周龄C57BL/6J小鼠触须毛的DPC以及1 d龄C57BL/6J小鼠皮肤角质形成细胞(KC),经免疫荧光法鉴定前者第3代细胞稳定表达DPC标志物神经细胞黏附分子、碱性磷酸酶(ALP)、β连环蛋白及α平滑肌肌动蛋白,后者原代细胞稳定表达KC标志物角蛋白15。取第8代DPC,用GelMA重新悬浮并接种至Transwell孔板插件底面,光交联后倒置培养,于光学显微镜下观察培养0(即刻)、3 d GelMA悬滴中DPC聚集情况(聚集成球即仿生毛乳头球),采用活/死染色试剂盒检测培养3 d仿生毛乳头球中细胞活性。将传统二维培养的原代DPC、第8代DPC以及按前述方法制备的仿生毛乳头球分别设为原代DPC组、第8代DPC组、仿生毛乳头球组,利用高通量测序技术平台对每组培养3 d的3个样本中DPC进行转录组测序,利用基迪奥生物信息云工具平台(OmicShare Tools)对转录组数据进行主成分分析、Pearson相似性分析、差异表达基因筛选,利用时间序列趋势分析软件对差异表达基因进行表达模式聚类分析,利用基迪奥生物信息云工具平台对具有特定表达模式的差异表达基因进行京都基因与基因组百科全书(KEGG)和基因本体论(GO)富集分析。同前进行细胞分组,采用随机数字表法从差异表达基因中抽取性别决定区Y框蛋白8(SOX8)、基质金属蛋白酶9(MMP-9)、26型胶原纤维α1(COL26A1)、无翅型MMTV整合位点家族成员6(Wnt6),采用实时荧光定量反转录PCR(RT-PCR)法验证差异表达基因mRNA表达情况与测序结果的一致性(样本数为9);采用实时荧光定量RT-PCR法检测DPC生物功能标志物成纤维细胞生长因子7(FGF7)、Wnt10a、淋巴样增强因子1(LEF1)、ALP、β连环蛋白、多功能蛋白聚糖、SOX2的mRNA表达情况(样本数为9)。取3只5~6周龄雄性BALB/c裸鼠,分别设为原代DPC组、第8代DPC组、仿生毛乳头球组,将原代DPC、第8代DPC、仿生毛乳头球分别与原代KC以2∶1细胞数比例混合后分别注射至相应组别裸鼠皮下,每只注射6个区域。注射后2周,取注射区域全厚皮,计数再生毛发,行苏木精-伊红染色后观察再生毛囊情况。对数据行单因素方差分析、Tukey检验并进行Bonferroni校正。结果培养3 d,DPC在GelMA悬滴中由培养0 d的分散状态聚集成仿生毛乳头球,制备的仿生毛乳头球中细胞活性良好。培养3 d,主成分分析显示,相比于第8代DPC组,原代DPC组、仿生毛乳头球组组内样本间变异程度较低,仿生毛乳头球组与原代DPC组组间样本变异程度最低,3组DPC样本超过90%的基因谱数据变异可由第1个和第2个主要成分来解释;Pearson相似性分析显示,组内样本重复性好,原代DPC组和仿生毛乳头球组样本间的相关系数为0.84~0.95,原代DPC组和第8代DPC组样本间的相关系数为0.72~0.87;3组DPC间差异表达基因分析筛选出642个组间交集差异表达基因,对其进行表达模式聚类显示有2种基因表达模式有显著趋势(P<0.05),分别为第8代DPC组基因表达显著低于原代DPC组/仿生毛乳头球组、第8代DPC组基因表达显著高于原代DPC组/仿生毛乳头球组,共包含411个差异表达基因;KEGG富集分析显示这411个差异表达基因在Wnt信号通路以及磷脂酰肌醇3激酶-蛋白激酶B信号通路显著富集(P<0.05),GO富集分析表明细胞外基质、经典Wnt信号通路、细胞分化等GO术语被显著富集(P<0.05)。与原代DPC组、仿生毛乳头球组比较,第8代DPC组细胞基因SOX8、MMP-9、COL26A1、Wnt6 mRNA表达量均明显下降(q=15.950、8.854、11.890、11.050,9.851、5.884、7.418、4.870,P<0.01),与测序数据一致。与原代DPC组、仿生毛乳头球组比较,第8代DPC组细胞生物功能标志物FGF7、Wnt10a、LEF1、ALP、β连环蛋白、多功能蛋白聚糖、SOX2 mRNA表达量均明显下降(q=11.470、9.795、4.165、9.242、10.970、10.570、8.005,7.472、4.976、3.651、4.784、5.236、6.825、5.214,P<0.05或P<0.01)。注射后2周,第8代DPC组裸鼠无毛发再生,仿生毛乳头球组与原代DPC组裸鼠再生毛发数量相近(q=1.852,P>0.05)且均显著高于第8代DPC组(q=18.980、17.130,P<0.01);第8代DPC组裸鼠注射区域皮肤仅形成了坏死灶,而仿生毛乳头球组与原代DPC组裸鼠注射区域皮肤均观察到再生毛囊且毛囊横断切面有黑色素沉着。结论基于GelMA仿生微环境与悬滴法三维培养小鼠DPC制备仿生毛乳头球的培养模型可一定程度上恢复高传代DPC在裸鼠中的毛发诱导能力,且其生物特性更加类似于原代DPC,可实现DPC的扩增后特性恢复。