Measurement of oxygen tension within mesenchymal stem cell spheroids

間充質(zhì)干細(xì)胞球體內(nèi)氧張力的測(cè)量

來(lái)源：Journal of the Royal Society Interface, Volume 14, 2017, article number 20160851

《皇家學(xué)會(huì)界面雜志》，第14卷，2017年，文章編號(hào)20160851

 

摘要：

這篇論文研究了間充質(zhì)干細(xì)胞（MSC）球體內(nèi)氧張力的分布。MSC球體在細(xì)胞治療中具有提高細(xì)胞存活和營(yíng)養(yǎng)因子分泌的優(yōu)勢(shì)，但作用機(jī)制尚不明確。許多人假設(shè)球體形成會(huì)在大直徑球體內(nèi)產(chǎn)生缺氧核心，從而增強(qiáng)細(xì)胞功能。本研究通過(guò)測(cè)量不同直徑球體的氧張力，并關(guān)聯(lián)細(xì)胞功能，發(fā)現(xiàn)氧張力梯度變化小，無(wú)缺氧核心，細(xì)胞代謝隨球體大小增加而減少。這表明MSC球體的增強(qiáng)功能并非由氧介導(dǎo)。

 

研究目的：

本研究的目的是評(píng)估MSC球體內(nèi)的氧張力分布，以確定是否存在缺氧核心，并隨后將細(xì)胞存活與氧可用性關(guān)聯(lián)起來(lái)。研究旨在通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量氧張力，驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型，并探討球體大小對(duì)細(xì)胞功能的影響。

 

研究思路：

研究采用人骨髓來(lái)源的MSC，使用懸滴技術(shù)形成不同大小的球體（15000、30000、60000細(xì)胞/球體）。通過(guò)Unisense氧微傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量球體內(nèi)的氧張力，結(jié)合數(shù)學(xué)模型分析氧梯度。同時(shí)，測(cè)量細(xì)胞活力、代謝參數(shù)（如葡萄糖消耗、乳酸生產(chǎn)）、包裝密度、細(xì)胞凋亡等，并通過(guò)組織學(xué)分析驗(yàn)證結(jié)果。數(shù)據(jù)用于數(shù)值模擬氧分布，并關(guān)聯(lián)球體大小與細(xì)胞功能。

 

測(cè)量的數(shù)據(jù)及研究意義：

1. 氧張力測(cè)量數(shù)據(jù)：使用Unisense微傳感器測(cè)量球體內(nèi)不同徑向位置的氧張力，顯示氧梯度隨球體大小增加但變化小，最大球體內(nèi)氧張力僅降低不到10%。研究意義在于直接驗(yàn)證了MSC球體無(wú)缺氧核心，挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)假設(shè)，為球體功能機(jī)制提供新見(jiàn)解。數(shù)據(jù)來(lái)自圖1d、1e、1g。

 

2. 包裝密度數(shù)據(jù)：計(jì)算球體包裝密度，發(fā)現(xiàn)隨球體大小增加而減少，較大球體包裝更松散。研究意義在于揭示球體通過(guò)降低包裝密度來(lái)促進(jìn)氧和營(yíng)養(yǎng)擴(kuò)散，避免缺氧核心形成，這解釋了為什么大球體仍能維持細(xì)胞功能。數(shù)據(jù)來(lái)自圖2a、2b。

 

3. 細(xì)胞代謝數(shù)據(jù)：測(cè)量葡萄糖消耗和乳酸生產(chǎn)，顯示隨球體大小增加，葡萄糖消耗顯著減少，但乳酸-葡萄糖比率不變。研究意義在于表明球體大小調(diào)節(jié)葡萄糖攝取，可能影響細(xì)胞代謝途徑，提示獨(dú)立于氧的調(diào)控機(jī)制。數(shù)據(jù)來(lái)自圖3b、3c。

 

4. 細(xì)胞活力數(shù)據(jù)：通過(guò)caspase活性測(cè)定和活死染色，顯示大球體凋亡增加，但組織學(xué)分析無(wú)顯著缺氧或凋亡核心。研究意義在于表明細(xì)胞凋亡可能與聚集應(yīng)力相關(guān)，而非氧張力，突出了球體形成中其他因素的作用。數(shù)據(jù)來(lái)自圖3a、圖4a、4b。

 

5. 組織學(xué)缺氧檢測(cè)數(shù)據(jù)：使用pimonidazole染色驗(yàn)證無(wú)缺氧區(qū)域。研究意義在于支持氧張力測(cè)量結(jié)果，確認(rèn)球體在環(huán)境條件下無(wú)缺氧核心，增強(qiáng)結(jié)果可靠性。數(shù)據(jù)來(lái)自圖5。

 

 

結(jié)論：

1. MSC球體無(wú)缺氧核心，氧張力梯度小，表明增強(qiáng)功能并非由缺氧介導(dǎo)。

2. 球體大小增加時(shí)，包裝密度減少，促進(jìn)氧擴(kuò)散，但細(xì)胞代謝降低，可能與細(xì)胞-ECM相互作用減少相關(guān)。

3. 球體形成調(diào)節(jié)細(xì)胞功能獨(dú)立于氧張力，提示其他機(jī)制如聚集應(yīng)力或代謝變化起主要作用。

 

使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義：

使用丹麥Unisense氧微傳感器測(cè)量氧張力數(shù)據(jù)具有重要研究意義。該電極允許直接、實(shí)時(shí)測(cè)量球體內(nèi)局部氧張力，提供高空間分辨率的數(shù)據(jù)，從而準(zhǔn)確描述氧梯度。測(cè)量結(jié)果與數(shù)學(xué)模型結(jié)合，驗(yàn)證了氧擴(kuò)散理論，并揭示MSC球體即使在大直徑下也無(wú)缺氧核心，這挑戰(zhàn)了基于癌細(xì)胞球體的傳統(tǒng)假設(shè)。直接測(cè)量避免了間接推斷的誤差，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的可信度。此外，該數(shù)據(jù)表明MSC球體通過(guò)自適應(yīng)包裝密度維持氧合，這為組織工程中設(shè)計(jì)大型細(xì)胞構(gòu)建體提供了指導(dǎo)，強(qiáng)調(diào)氧測(cè)量在優(yōu)化細(xì)胞治療策略中的關(guān)鍵作用。這些發(fā)現(xiàn)有助于理解MSC球體的生理機(jī)制，并支持其臨床翻譯潛力。