肌卫星细胞是什么?关于肌卫星细胞的详细介绍

创闻科学2020-11-16 15:00:34

肌卫星细胞(Satellite Cells,SC)是指位于骨骼肌中肌纤维质膜与基底膜之间的一种扁平,有突起的单核梭形肌源性干细胞。在刺激因素干预下其能够分化形成成熟的肌纤维或者融入受损的肌组织,在骨骼肌的生长、损伤修复、功能维持以及组织再生过程中有着重要作用。

发现与命名

1961年,美国洛克菲勒研究Alexander Mauro在对青蛙的骨骼肌纤维外围区域进行电子显微镜研究的过程中,在肌纤维质膜与基底膜之间观察到一些单核梭形细胞,因其位置与排列类似于肌纤维的卫星而将其命名为肌卫星细胞,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,是肌细胞核的一种来源。目前已证实骨骼肌是具有多项分化潜能的成体干细胞的一个储存库,骨骼肌内存在两类具有干细胞特性又能分化成骨骼肌的干细胞:一类称为卫星细胞也叫成肌祖细胞,另一类称为肌源干细胞也叫群旁细胞,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卫星细胞。

起源

骨骼肌来源于体节, 由肌卫星细胞形成肌纤维与胚胎时期的肌纤维形成在发生学上很相似, 所以一直认为肌卫星细胞来源于体节。但从胚胎背主动脉分离得到的肌源性细胞所表达的标志物(如高度糖基化的Ⅰ型跨膜蛋白:CD34,肝细胞生长因子受体:c-met,配对盒基因3:Pax3等)也能够在成熟的卫星细胞中表达, 表明肌卫星细胞可能不直接来源于体节, 而可能来源于中胚层能形成内皮细胞的那些前体细胞, 即卫星细胞的形成和胚胎的肌肉形成是独立出现的。

形态特征

肌卫星细胞排列在肌纤维的表面,位于骨骼肌纤维质膜与基底膜之间,是一种呈扁平,表面有突起的单核梭形细胞。从形态特征上讲,静息状态下肌卫星细胞的细胞器较少,核质比率高,细胞核比相邻的肌管细胞的核小,未见核仁。与肌细胞核相比其异染色质质量较高,胞浆一端含少量细胞器,肌卫星细胞和肌纤维共有的肌浆膜上常富含胞饮小泡。当卫星细胞被激活后,细胞一极或两极形成细胞质突起或延伸,并伴随有丝分裂活动增强、异染色质量下降、质核比率升高和细胞内细胞器数目的增加。

分类

肌卫星细胞存在异质性,根据分化裂速度的快慢可将其分为两个类群。一是快速分裂类群, 该类细胞经过有限次的分裂、分化并融合进骨骼肌肌纤维后分化形成新的肌核,此类细胞随着肌肉的生长发育不断减少,不再恢复;二是慢速分列类群,该类细胞具有长久的自我更新能力,可以在分裂的过程中形成两类不同的子细胞,即一种成为肌细胞,另一种仍保持卫星细胞状态,以此维持体内肌卫星细胞的平衡。

功能

肌卫星细胞作为干细胞,具有良好的增殖和分化能力,在动物出生后肌肉组织的生长和肌肉损伤的修复过程中起着重要作用。在刚出生的动物中,其主要功能是参与骨骼肌的生长,肌卫星细胞经历大量的增殖、分化形成肌管并融合进骨骼肌纤维,促使肌纤维增生、肥大以促进动物骨骼肌的生长发育。在成年的动物体内其通常处于静止状态(G0期),在一定条件下(如生长因子、营养、年龄、损伤、运动等)可以选择性被激活,激活后其形态发生明显变化,表现为胞质扩张、异染色质减少、细胞器明显。活化的卫星细胞具有两种功能,一部分增殖、分化并且彼此融合形成肌管, 进一步成熟形成肌纤维,参与生成新的肌肉,最终促进骨骼肌肥大以参与动物骨骼肌的生长发育及损伤修复;另一部分又具有自我更新能力,通过增殖产生新的肌卫星细胞以保持自身的一定数量。此外,肌卫星细胞具有干细胞性质,在一定条件下可以向成心肌细胞,成脂细胞以及成骨细胞等方向分化。伴随年龄的增长,肌卫星细胞的丰度逐渐减少,其肌源性分化和自我更新的潜能仍保留,但更新能力随之降低。

体外培养

1974年,华盛顿大学医学院的Richard Bischoff首次从大鼠骨骼肌中分离出肌卫星细胞并将其进行体外培养。之后,大量的研究集中在肌卫星细胞体外培养体系的建立和体外增殖分化等方面。肌卫星细胞体外培养主要包括细胞的分离、纯化、鉴定等过程。

细胞分离
  • 取材:不同年龄、不同肌肉类型中卫星细胞的数目不同,年幼个体的卫星细胞含量相对较丰富,取材时以年幼或刚出生个体为主。在人和鼠中,出生时卫星细胞含量最多,约为32%,出生后数目逐渐下降,成年鼠稳定在1%~5%。肌肉功能不同,其所含卫星细胞数目也不同,慢收缩肌中卫星细胞数目为快收缩肌的3~4倍。成年鼠中,取比目鱼肌分离卫星细胞者较多。对于鸡等禽类动物一般取其胸部肌肉。

  • 分离:肌卫星细胞的分离方法主要有酶消化法、组织块法和单根肌纤维培养法三种。

  1. 酶消化法:无菌条件下取肌肉组织在无菌操作台内用PBS反复清洗,解剖显微镜下去除血管、脂肪组织和结缔组织,眼科剪将其剪碎成1mm3小块,用胰蛋白酶、胶原酶或链酶蛋白酶37°C消化30~60min,用吸管吹打使卫星细胞与基膜分离,加入含血清的培养堆终止消化,最后对细胞进仃纯化培养。其中链酶蛋白酶效果较好,对卫星细胞的损伤也小,但这种方法所得细胞数量较少。现在多采用联合酶消化法,即用1%胶原酶消化30min,使结缔组织被充分消化掉,再用0.25%胰酶消化40~60min,经100、200、400目细胞筛过滤后获得卫星细胞。

  2. 组织块法:将剔除血管、脂肪和结蹄组织的肌肉组织清洗干净剪成1mm3的小块,以一定密度接种在培养瓶中,置37℃,5%CO的培养箱中,当组织块粘附在瓶底时添加生长培养基进行培养,待卫星细胞从贴壁的组织块周围游离出,并增殖到70%~80%盖度后,即可进行消化传代。此种方法耗材少,成本低。

  3. 单根肌纤维培养法:先用酶消化法使肌纤维(肌细胞)从组织块中分离出来,再用类似于组织块的方法将肌细胞低密度地种植在培养皿中,2天后卫星细胞开始从肌纤维上长出,当数量足够多时,将肌细胞去除,用胰蛋白酶消化后将肌卫星细胞传代。该法是使用的比较多的一种方法。

细胞纯化
  • 分离后得到的细胞并非单一的肌卫星细胞,还包括成纤维细胞、血细胞等,甚者这二者会占到细胞总量的70%,因此需要对分离的细胞进行纯化。目前细胞纯化方法主要包括差速贴壁法和Precoll液梯度离心法。

  1. 差速贴壁法:该法的关键是利用成纤维细胞的贴壁能力比肌卫星细胞强而先贴壁的原理来分离细胞。成纤维细胞的贴壁时间般为30~60min,当成纤维细胞大部分已经贴壁,而卫星细胞仍处于悬浮状态,因此在此时间段内转出上清液于新培养瓶,重复3次以上即可完成细胞纯化。

  2. Precoll液梯度离心法:该法是将Percoll液制成非连续密度的梯度液,利用细胞的沉降系数的不同来纯化细胞,该法缺点在于所需的细胞量大、操作步骤繁琐,易受污染,但利用该法分离得到的卫星细胞纯度大。

细胞鉴定
  • 肌卫星细胞的鉴定方法主要包括细胞形态的初步鉴定、细胞标志性基因的鉴定和细胞免疫荧光染色鉴定。

  1. 细胞的形态学鉴定:刚分离的肌卫星细胞处于静息状态,显微镜下观察为一折光性较强的亮点,刚贴壁的细胞为圆形,贴壁一段时问后形态发生变化,变成梭形或纺锤形。进入增殖阶段后,被激活成为成肌细胞,随着增殖程度加深,成肌细胞逐渐平行排列,最终分化融合成肌管,通过对培养的各个时期进行形态学观察,可以初步进行判定是否为肌卫星细胞。

  2. 细胞标志性基因鉴定:该法主要鉴定不同时期肌卫星细胞特异性表达的标志性基因mRNA表达水平。最常用的标志基因为Pax7、MyoDMyoGPax7是肌卫星细胞静息期和增殖期特异性标志基因,静息期肌卫星细胞只表达Pax7,不表达MyoDMyoG。进入增殖期后,MyoDMyoG开始出现表达,此时Pax7仍然持续表达。当肌卫星细胞开始分化融合出现肌管时,MyoG的表达升高,Pax7的表达下降。通过检测各个时期Pax7MyoDMyoG等基因的表达就能对其进行鉴定。

  3. 细胞免疫荧光染色鉴定:该法主要鉴定肌卫星细胞中 Pax7、MyoD 和 Desmin 等高度保守的标记蛋白。Pax7 是静息期和增殖期特异性表达的蛋白,MyoD 和 Desmin 是增殖期的特异性标志蛋白。通过细胞免疫荧光染色的方法可检测蛋白在细胞中的表达情况,从而鉴定肌卫星细胞的纯度。

调控因子

肌卫星细胞的活化、增殖分化以及自我更新是一个精确复杂的调控过程,该过程受到多个细胞因子以及多个相关信号通路的相互级联作用的调控。其中细胞因子主要有类胰岛素生长因子(IGF) 、肝细胞生长因子(HGF) 、成纤维细胞生长因子(FGF)、生肌调节因子(MRFs)、转化生长因子(TGF-β) 和白细胞介素-6(IL-6) ;信号通路主要有

Notch信号通路、Wnt/β-catenin信号通路、mTOR信号通路、P38MAPK信号通路和JAK/STAT信号通路。这些信号通路相互联系、共同作用,进而影响肌卫星细胞的活化、增殖和分化等过程。

应用

肌卫星细胞具有强大的肌肉组织修复与再生潜能,且具有增殖能力强、取材方便、自体移植可避免排斥反应、耐受缺血状态好等优点,使其在遗传性肌病的基因治疗、失神经骨骼肌萎缩的应用、心肌梗死的生物治疗、创伤修复和组织工程具有广阔的应用前景。此外, 肌卫星细胞具有多潜能分化特性,只要给予正确的信号, 其可以分化为成脂细胞等多种细胞类型,为改良动物肉品质、增加肌内脂肪含量提供借鉴。