维普资讯 http://www.cqvip.com l8卷5期 生物工程学报 Vo1.18 No.5 2002年9月 Chinese Journal of Biotechnology September 2002 抗氧化剂对皮肤角质细胞体外寿命的影响 周 燕 欧阳安力 华 平 谭文松 (华东理工大学生物反应器工程国家重点实验室,上海200237) 摘 要考察了抗氧化剂对鼠角质细胞体外培养寿命的影响。实验发现在角质细胞的体外培养过程中添加抗氧 化剂有利于延长细胞的寿命,其中效果最好的是巯基乙醇,其次为过氧化氢酶和SOD,但在体外培养过程中,角质 细胞生长速率仍然逐渐下降。实验还发现,添加抗氧化剂可在一定程度上提高角质细胞的克隆形成率,减缓细胞 衰老速率。同时,通过考察鼠表皮角质细胞衰老动力学,获得了对应于不同抗氧化剂的细胞衰老动力学常数。 关键词角质细胞,抗氧化剂,体外寿命,细胞衰老 中图分类号Q813.1 文献标识码A 文章编号1000—3061(2002)05-0630-04 大面积烧伤病人及皮肤病患者的临床治疗对皮 蛋白酶(Sigma)中(中性蛋白酶的量约为被消化皮肤 肤组织的需求一直很大,但临床上能够获得的供体 组织体积的3倍),4 ̄C下消化18h,使真皮和表皮分 皮肤组织十分有限,组织工程的发展为解决这一问 离,然后将表皮剪碎,用0、25%的胰酶(Sigma), 题开辟了美好的前景。1975年Green等人首先培养 0.02%EDTA(胰酶/EDTA消化液的体积大约为被消 成功人工皮肤组织 ,并用于皮肤缺损患者的治 化组织体积的3倍)作用10min,并用等量的小牛血 疗 ,成为烧伤治疗领域里的一个里程碑。现在 清中和胰酶活性。150目筛网过滤,除去皮肤碎块。 已有公司开发出了商品化的皮肤组织 ,这些皮肤 2000r/min离心5min,倒去上清,PBS清洗2遍,加入 都是由皮肤细胞和不同的基质材料构成,构建皮肤 角质细胞培养基。 组织时需要大量的成纤维细胞和角质细胞等种子细 1.2角质细胞培养基 胞,所以皮肤种子细胞的培养是当前皮肤组织工程 基础培养基为MCDB153,补加lOng/mL EGF 中一个十分重要的研究课题。经过几十年的发展, (Merck),5 ̄g/mL胰岛素,0.4 ̄g/mL氢化可的松, 成纤维细胞的培养技术已经日臻完善,但角质细胞 1mg/mL转铁蛋白,1×10 mol/L乙醇胺,200u/mL庆 培养仍然是一个难题,这是由角质细胞的特性所决 大霉素。为了考察抗氧化剂的影响,分别在开始时 定的。角质细胞是一种定向干细胞 ,很容易分化, 向培养基中添加100 u/mL过氧化氢酶,50 u/mL 而且寿命很短。文献报道,氧化损伤是加速细胞衰 SOD.5×10 mol/L巯基乙醇(如无特殊说明,试剂均 老的一种重要机理,但具体添加抗氧化剂对皮肤角 购自Sigma)。 质细胞体外寿命有何影响尚未见报道。 1.3细胞培养传代 1 材料与方法 当细胞生长到60%~70%融合时用胰酶/EDTA 进行消化,当细胞变圆、脱落后加入等量小牛血清中 1.1原代角质细胞的分离… 和胰酶活性,用2000r/min的速度离心5min后倒去 取新生1d的sd小鼠皮肤,用含有200u/mL庆 上清,PBS清洗2遍,加入培养基。细胞接种量为2 大霉素的PBS清洗3遍,75%酒精清洗2遍,再用 ×10 ce11s,cm .每个25cm 的培养瓶(NUNC)中加培 PBS清洗2遍。将皮肤组织加入到200u/mL的中性 养基5mL,在37℃、5%CO 的培养箱(REVCO)中培 收稿日期:2002—03.26,修回日期:2002—06—28。 基金项目:本文部分得到国家高技术研究发展计划课题(2001AA210641)、国家重点基础研究发展规划“组织工程的基本科学问题”项目 (G1999054309)的资助。 *通讯作者。Tel:86—21.64250948;Fax:86.21—64253904;E.mail:wstan@ecust.edu.ca 维普资讯 http://www.cqvip.com 5期 周 燕等:抗氧化剂对皮肤角质细胞体外寿命的影响 63l 养,每3天换液1次。 1.4细胞PD(Pop ̄afion doublings J的测定 E _. Mercaptoethanol 细胞计数通过血球计数板来完成,每代末期的 PD(集落倍增数)是通过公式 0 PD=l。&f 培养后的总细胞一不能形成克隆的细胞 来计算。实验结果是3次相互实验的平均值。 寿命的延长比例=(PD 1.5克隆形成率 细胞用1×10 cells/mL的接种密度接种到48 晶 = U 一PD 。)/PD… 。 A 0 7 14 21 28 35 t/d 孔板中,每孔0.5mL,培养末期计数克隆数。克隆形 成率=克隆数/接种量×100%,每10个以上的细胞 为一个克隆。实验结果是3次相互实验的平均 值。 1.6 SA.p.半乳糖苷酶染色 衰老的角质细胞可以通过B一半乳糖苷酶染色阳 性来判别 ]。在每代的培养末期,细胞用PBS缓冲 液洗2遍,然后在室温下用3%的固定3— 13 20 t/d 图1 不同抗氧化剂对角质细胞体外生长的影响 Fig 1 The effect of ant/oxldants On the kerat/nocytes’growth A.Gmwth CUrVe:B.Cumulative PD curve 5min。再用PBS缓冲液和双蒸水清洗,加入新鲜配 mega),40mmol/L柠檬酸,12 mmol/L磷酸钠, 0 8 6 4 2 0 8 6 4 2 0 制的SA一.3一半乳糖苷酶染色液:1rag/mL X—Gal(Pro— 表1 添加不同抗氧化剂.角质细胞寿命延长的比例 Table 1 5 mmol/L亚铁,5 mmol/L铁,150 mmol/ L氯化钠,2 reoolt/L氯化镁,在37℃下过夜。计数细 胞中蓝色细胞的比例,每个样品中最少计数700个 The life-span increase f%)ofkeratinocyte ullder d如Ferent antioxidants 细胞,衰老细胞的比例就是蓝色细胞的比例。实验 结果是3次相互实验的平均值。 2.3抗氧化剂对角质细胞体外生长速率的影响 由图2可见,在体外培养过程中角质细胞的生 2结果和讨论 2.1 抗氧化剂对角质细胞体外培养的影响 长速率逐渐下降,这也正是角质细胞体外培养困难 的一个体现。实验中发现,添加了抗氧化剂的实验 组,细胞生长速率都大于对照组,原代时添加了过氧 从图1(a)中可以发现角质细胞培养过程中添 加抗氧化剂有利于细胞增殖。原代培养中,这种作 用不明显,但随着体外培养时间的延长,抗氧化剂的 作用就逐渐表露出来。和对照组相比,添加了抗氧 化剂的实验组,细胞增殖倍数明显增加。在实验中, 巯基乙醇是最利于细胞生长的,其次是过氧化氢酶, 化氢酶的细胞生长最快,而传代后添加巯基乙醇的 实验组生长最快。 然后是SOD。细胞在培养的前3代都还实现了增 殖,但第4代细胞已经是负增殖。由于PD是从细 胞次数的角度考察细胞寿命的一个指标,因此 图1(b)中出示了抗氧化剂对角质细胞PD的影响。 通过和对照组比较,可以发现在体外培养过程中,添 加抗氧化剂后均在不同程度上延长了细胞寿命(表 1)。 图2抗氧化剂对角质细胞生长速率的影响 Fig.2 The effect of ̄tioxidants on the growth rate of he kerattinocyte 2.4抗氧化剂对角质细胞克隆形成率的影响 图3给出了抗氧化剂对角质细胞克隆形成率的 维普资讯 http://www.cqvip.com 632 生 物 T 程 学 报 l8卷 影响。每代培养结果均表明添加巯基乙醇后克隆形 2O OO 成率最大。虽然添加了SOD的实验组,其克隆形成 00 OO 率大于添加过氧化氢酶组,但得到的细胞却少于后 者,说明添加SOD后虽然接种细胞中具有增殖潜能 曼 忘 2 的细胞数量较多,但其增殖能力却较低。而相反,在 & 亏 添加了过氧化氢酶的实验组,虽然前体细胞量少,但 = 基 每个前体细胞都具有更高的增殖潜能,或说明其前 芒 体细胞保持了更加原始的特性。 20 00 I8 oo O OO I6 oo 7 l 3 20 27 t/d I4 oo 图4抗氧化剂对细胞衰老的影响 I2 oo Fig.4 The effect of antioxidants on the cell aging J0 oo U 8 0O 6 OO 曼 4 oo U 2 OO '兰 o oo 8 7 l 3 2O 27 t/d 图3抗氧化剂对角质细胞克隆形成率的影响 Fig.3 The effect of antioxidant on CFE of the keratinocytes 图5角质细胞体外衰老比例和PD的关系 2.5抗氧化剂对角质细胞衰老的影响 Fig.5 The relationship between the senescent kerationeyte B一半乳糖苷酶染色是目前比较通用的一种判定 percentage and PD 细胞衰老的方法。如图4所示,在培养过程中添加 了抗氧化剂后,衰老细胞的比例小于对照组,这说明 在低氧浓度下进行培养时,能显著延长细胞寿命,同 时增殖了更多的倍数 。本文实验结果进一步证 添加了抗氧化剂后,细胞的衰老受到了一定的抑制, 因而可以获得更多的细胞增殖倍数。 实,在角质细胞体外培养过程中,氧化损伤是加速细 接下来我们又研究了角质细胞衰老动力学,将 胞衰老的一个重要因素。添加抗氧化剂在一定程度 细胞的衰老比例和细胞的PD进行关联,实验结果 上延缓了角质细胞的衰老,细胞增殖了更多的倍数。 如图5所示。发现原代细胞传代后,衰老细胞的比 由于目前几种商品化的角质细胞无血清培养基,均 没有添加适当的抗氧化剂,本文结果提示在角质细 例和PD几乎成线性关系,说明每个PD中衰老细胞 胞无血清培养基研究和优化过程中有必要添加巯基 的比例基本保持恒定。拟合得到的直线的斜率就是 4种条件下的角质细胞衰老动力学常数,K… 一 。。 乙醇等一类抗氧化剂。 =7.1(%)/PD,K =8.4(%)/PD,Kso。=8.6(%)/ REFERENCES(参考文献) PD,K… =9.2(%)/PD,由此可以定量说明抗氧化 Rheined J G,Green H.Serial cultivation of human epidermal kerati— 剂对减缓角质细胞衰老速率的影响及其程度。 nocyte:the formation of keratinizing colonies from single cel1.Ce//, 代谢过程中氧自由基积累是造成细胞衰老的一 1975,6:331~344 个重要原因,Sittle等人发现在衰老过程中有氧自由 Green H.Kehinde O.Tomas J.Growth of cultured human epidermal cells into mutilpe epithelia suitable for grafting.Proc Natl Acad Sci 基积累 ;von Zglinicki等人发现当细胞生长在高氧 USA,1979,76:5665~5668 浓度下时,细胞复制过程中端粒酶的缩短速率大大 Gallico G G,O’Cornnor N E,Comton C C et a1.Permanent cover. 增加,即当细胞生长在这种环境中时它的衰老速率 age of large bum wounds with aut ̄ogous cultured human epithelium. 大大加快¨ 。本文发现抗氧化剂能减缓细胞衰老 E JMed,1984,311:48~451 速率,可能正是因为抗氧化剂在一定程度上抑制了 Nerem R M.Tissue engineering in USA.Med Biol Eng&Comput, 端粒酶的缩短速度。前期实验证明,当将角质细胞 1992,30:CE8~CE12 维普资讯 http://www.cqvip.com 5期 [5] 周 燕等:抗氧化剂对皮肤角质细胞体外寿命的影响 633 Robert M,Lavker,Tung-TIAN Sun.Epidermal stem cells:proper- culture medium and system and methods for use,particulrlay for cul— ties,markers,and location.Prc Natol Acad Sei USA,2000,97: 13473一l3475 turlng epithelil celals.U.S.Patent 5712163,Jan 27,1998 [9] Sitte N,Merker K,von Zglinicki T,Grune T.Protein oxidation and degradation during proliferative senescence of human MRC一5 fibro- [6 j OUYANG A L(欧阳安力),ZHOU Y(周燕),HUA P(华平), TAN W S(谭文松).Effect of trypsin on the separation and subcul— blasts.Free Radi Biof Med.2000.28:701~708 ture of keratinocytes.Chinese Journal ofBiotechnology(生物工程 学报),2002,18(1):59—62 [7] Dimri G P,Lee X H,Basile G et al A biomarker that identiifes se— nescent human cells in culture and in aging skin in vivo.Proc Natl Acad Sci USA.1995.92:9363—9367 [1O] yon Zglinicki T,Saretzki G,Docke W,Lotze C.Mild hyperoxia shortens telomeres and inhibits proliferation of ifbroblsts:a moadel for enesscence?Exp Celf Res,1995,220:186—193 Ouyang A L,Zhou Y,Hua P Tan W S.Effect oflow oxygen tension on the in vitro life span of mouse epidermal keratinocytes.Enzym Mi— [8] Parenteau,Nancy Louise,Johnson et al Chemically defined cell crob Technof,2002,30(6):8l7—82l The Effect of Antioxidants on the/n vitro Life-span of Keratinocyte ZHOU Yah OUYANG An—Li HUA Ping TAN Wen—Song (The State Key Laboratory ofBioreoctor Engtneering,ECUST,Shanghai 200237,China) Abstract The effect of antioxidants on the in vitro lire span of mouse keratinocytes was investigated in this work.It was found that the life span of the keratinocytes cultured in the medium supplemented with antioxidants was extended significantly.The most beneficial antioxidant used in this work was the mercaptoethanol,followed by the catalase and SOD.However,the growth rates of keratinocytes in vitro under all the experimental conditions still declined with the culture time.It was also found that the an— tioxidants added in the medium were also helpful to enhance the keratinocyte colony formation.In addition,the aging kinetics of the mouse epidermal keratinocytes in vitro were analyzed,and finally the aging rate constants corresponding to antioxidants used were calcu】ated. Key words keratinocyte,life span,antioxidant,senescence Received:03.26.2002 This work was partilaly supported by Grnta from the State High-Tech R&D Program(No.2001AA210641)and the State Key Basic Research Pln(No aG1999054309). *Corresponding author.Tel:86-21—64250948,Fax:86-21—64253904,Email:wstan@ecust.edu.cn 欢迎订阅《生物技术通讯》 《生物技术通讯》是军事医学科学院生物工程研究所主办的关于生物技术的级专业性学术刊物(国内统一刊号CN11- 4226/Q,国际标准刊号ISSN 1009.0002),是国家科技部中国科技论文统计与分析源期刊、中国学术期刊综合评价数据库来源期 刊。本刊主要报道生物技术(生物工程)及所有相关学科领域的最新科研成果与进展。主要栏目有:研究报告、技术方法、研 究简报、专论、综述、论坛、讲座、经验交流等。读者对象主要为从事生物技术及其在生物医学、工业、农业、环保等领域应用的 科研、教学、管理人员,大专院校相关专业师生及有关工程技术人员,以及其他对生物技术感兴趣的人员。欢迎订阅、欢迎供 稿、欢迎刊登广告。 《生物技术通讯》为大l6开本双月刊,80页高档轻涂纸印制,每期定价l0元,全年60元。国内外公开发行,国内邮发代 号:82,196,国外发行代号:BM1433。编辑部办理邮购业务。 邮政编码:100071,地址:北京丰台东大街20号 电话:(010)66948856;传真:(010)63895646 电子信箱:biolett@bj163.COB,swtx@ehinajourna1.net.cn