一种提高干细胞外泌体产量的培养液的制作方法

1.本发明属于细胞培养技术领域，具体涉及一种提高干细胞外泌体产量的培养液。


背景技术：

2.外泌体来源于晚期内吞体(也称多囊泡体，multivesicular bodies，mvb)的囊泡，是细胞内吞泡膜向内凹陷形成含有多个小囊泡的多囊泡体，这种多囊泡体与细胞膜融合，释放到细胞外基质中成为一种直径约30～100nm的膜性囊泡。外泌体最早由johnstone等在研究网织红细胞向成熟红细胞转变过程中发现。后来研究发现，不仅网织红细胞能释放这种小囊泡，几乎所有类型的活细胞都能分泌外泌体。
3.外泌体中含有dna片段、mrna、小rna、功能蛋白及转录因子等多种具有生物活性的物质，其膜结构还表达多种抗原、抗体分子，能产生各种生物学效应，从而在临床治疗疾病中具有广泛的应用前景。外泌体的组成与其细胞来源有关，不同细胞来源的外泌体所含具体成分不尽相同。
4.干细胞是来自于胚胎、胎儿或成人体内具有在一定条件下无限制自我更新与增殖分化能力的一类细胞，是一类具有自我复制能力和多向分化潜能特性的细胞。自1968年第一次骨髓细胞移植治疗成功以来，以细胞疗法为代表的再生医学被应用于许多疾病的治疗。在心血管疾病领域，尤其是心肌梗死的治疗中，干细胞疗法表现出了巨大的潜力。研究表明，干细胞疗法可以促进心肌细胞的存活，从而改善心肌收缩力以治疗心血管疾病，尤其是心肌梗死。然而，细胞疗法具有一定的局限性，其移植成功率低、具有免疫排斥性和致瘤性等风险都限制了其临床应用。近年来的研究表明，干细胞除了可诱导分化为心肌细胞以修复梗死组织外，还可以通过外泌体的旁分泌机制参与修复受损心肌组织。因此，外泌体有望取代干细胞疗法成为治疗心血管疾病尤其是心肌梗死的新方法。
5.人脐带间充质干细胞分离于新生儿出生后的废弃组织——脐带，是一类具有多向分化能力和自我更新能力的干细胞。因脐带具有取材容易，不容易被污染，不涉及道德、伦理和法律方面的问题等诸多优点，被广泛用于人脐带间充质干细胞的提取。同时，人脐带间充质干细胞的体外扩增和多向分化能力比其他组织来源的干细胞更强。研究发现，人脐带间充质干细胞来源的外泌体能够抑制外周血淋巴细胞的增殖，降低其分泌细胞因子il
‑
4和inf
‑
y的水平，还能抑制血液系统肿瘤细胞的生长，促进其凋亡，说明人脐带间充质干细胞来源的外泌体具有良好的免疫抑制作用和抑瘤作用，在临床上用于抗炎和抗肿瘤的药物中具有广阔的应用前景。
6.目前，提取外泌体的方法主要包括密度梯度离心法，有机溶剂法，免疫亲和层析法，免疫磁珠法，液相色谱分离法，差速超速离心法等。其中，密度梯度离心法提取外泌体被认为是相对经典的方法，但其操作繁杂，耗时长，不便于临床应用，有研究表明，将外泌体悬浮于30％蔗糖/重水垫中进行纯化，然而密度梯度离心法属于等密度离心范围，没有密度梯度差，因而容易混有其他密度的杂质，同时，重水对人体是否有影响尚不能评定。有机溶剂法是相对较原始的方法，虽然操作比较简单、成本较低，但是专一性不高，不仅能沉淀高丰
度的蛋白质，也会连同部分低丰度的蛋白质一起沉淀。免疫亲和层析法的特异性强、效率高，但是操作过程比较复杂。免疫磁珠法与液相色谱分离法成本较高，不能普及。差速超速离心法是根据样本中各物质沉降所需离心力不同的原理来提取外泌体的方法，尽管差速超速离心法耗时稍长，但是不存在未知的潜在杂质污染，并且纯度相对较高，成本也比较低，可以大量地提取，满足实验的基本需求，在实际应用中，重复性高，可作为一种合理的分离方法。
7.申请号为201710790115.9的中国专利申请公开了一种获得脐带间充质干细胞外泌体的工艺，包括以下步骤：脐带间充质干细胞接种于含有cultispher
‑
g微载体和培养液的生物反应器中进行扩增培养，培养完毕去除脐带间充质干细胞，经纯化获得脐带间充质干细胞外泌；其采用的培养液由mscgm
‑
cd间充质干细胞培养基中加入重组干扰素γ、血清替代物、青霉素和链霉素制得。但是，该工艺没有公开其所得外泌体的产量，该工艺也没有给出如何使其细胞培养基中的各组分对提高外泌体产量发挥协同增效作用的启示。在实际生产中，开发出一种能够显著提高脐带间充质干细胞外泌体产量的培养体系具有重要的意义。


技术实现要素：

8.本发明的一个目的在于提供一种干细胞培养液，该培养液可以促进脐带间充质干细胞囊泡的形成，显著提高外泌体的产量。
9.本发明的另一个目的在于提供一种利用上述干细胞培养液来制备高产量的外泌体的方法。
10.本发明提供了一种培养液，所述培养液包括以下组分：
11.组分1：基础培养液；
12.组分2：血清和/或血清替代品；
13.组分3：炎症因子；
14.组分4：活性多肽；
15.组分5：细胞信号通路抑制剂。
16.进一步地，所述培养液包括以下组分：
17.组分1：基础培养液；
18.组分2：血清和血清替代品；
19.组分3：炎症因子；
20.组分4：活性多肽；
21.组分5：细胞信号通路抑制剂；
22.其中，血清的体积分数为1％～5％，血清替代品的体积分数为5％～15％，炎症因子的浓度为1pg/ml～100pg/ml，活性多肽的浓度为1mm～20mm，细胞信号通路抑制剂的浓度为1μm
‑
10μm。
23.进一步地，所述培养液中，血清的体积分数为2％，血清替代品的体积分数为10％，炎症因子的浓度为10pg/ml，活性多肽的浓度为10mm，细胞信号通路抑制剂的浓度为5μm。
24.进一步地，组分1中，所述基础培养液为用于培养干细胞的无血清培养基；优选地，所述干细胞为间充质干细胞，更优选地，所述间充质干细胞为脐带间充质干细胞；
25.和/或，组分2中，所述血清为胎牛血清，所述血清替代品为ultroser g。
26.进一步地，组分1中，所述基础培养液为dmem/f12。
27.进一步地，组分3中，所述炎症因子为白介素
‑
6；和/或，组分4中，所述活性多肽为磷酸化marcks peptide；和/或，组分5中，所述细胞信号通路抑制剂为sirt1激活剂。
28.进一步地，组分5中，所述sirt1激活剂为quercetin d5。
29.本发明还提供了一种制备上述培养液的方法，所述方法包括以下步骤：将组分1～5混合均匀，即得。
30.本发明还提供了一种制备干细胞外泌体的方法，所述方法包括以下步骤：利用上述的培养液培养干细胞，然后提取外泌体。
31.进一步地，所述干细胞为间充质干细胞，优选地，所述间充质干细胞为脐带间充质干细胞；
32.和/或，所述提取外泌体的方法为差速超速离心法。
33.本发明还提供了上述的培养液在制备干细胞外泌体中的用途。
34.关于本发明的使用术语的定义：除非另有说明，本文中术语提供的初始定义适用于整篇说明书的该术语；对于本文没有具体定义的术语，应该根据公开内容和上下文，给出本领域技术人员能够给予它们的含义。
35.肽是两个或两个以上的氨基酸以肽键相连的化合物，在人体内起重要生理作用，发挥生理功能。具有活性的多肽称为活性多肽，又称生物活性肽或生物活性多肽。
36.磷酸化marcks peptide是一种由豆蔻酰化富丙氨酸c激酶底物蛋白(marcks)基本效应域片段组成的磷酸化多肽，marcks peptide(151
‑
175)的磷酸化逆转了它对磷脂酶c(plc)催化磷脂酰肌醇
‑
4，5
‑
二磷酸(pip2)水解的抑制作用。磷酸化marcks peptide(151
‑
175)多肽可以诱导内质网弯曲，增加膜曲率，进而促进分泌泡的合成和分泌。其多肽序列为：lys
‑
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lys。
37.槲皮素d5，即quercetin d5，是槲皮素的一种天然黄酮类化合物的氘代化合物，可激活sirt1基因活性。
38.与现有技术相比，本发明提供的培养液具有以下有益效果：
39.本发明提供的培养液能够促进脐带间充质干细胞囊泡的形成，通过激活sirt1基因活性，进而提高脐带间充质干细胞外泌体的产量。本发明提供的培养液中，白介素
‑
6、磷酸化marcks peptide和quercetin d5对提高脐带间充质干细胞外泌体产量发挥了协同增效的作用。
40.本发明提供的培养液原料易得，制备方法简单，成本低廉，在制备高产量的外泌体中具有良好的应用前景。
41.显然，根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更。
42.以下通过实施例形式的具体实施方式，对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。凡基于本发明上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。
附图说明
43.图1为脐带间充质干细胞第0代(左图)和第6代(右图)时的细胞生长状态。
44.图2为第6代细胞进行间充质干细胞流式分析的结果；
45.图3为利用实施例1制得的培养液分离得到的外泌体的透射电子显微照片。
46.图4为利用对比例1制得的培养液分离得到的外泌体的透射电子显微照片。
47.图5为利用对比例2制得的培养液分离得到的外泌体的透射电子显微照片。
48.图6为利用对比例3制得的培养液分离得到的外泌体的透射电子显微照片。
49.图7利用实施例1和对比例1、2、3制得的培养液分离得到的外泌体中的总蛋白质浓度。
具体实施方式
50.本发明所用原料与设备均为已知产品，通过购买市售产品所得。
51.以下实施例和对比例中：
52.基础培养液为dmem/f12，购自gibco，型号为11330。
53.血清替代品为ultroser g，购自pall，型号为15950
‑
017。
54.胎牛血清购自gibco，型号为10270。
55.白介素
‑
6(il
‑
6)购自perotech，型号为200
‑
06。
56.磷酸化marcks peptide，即：marcks peptide(151
‑
175)，phosphorylated。磷酸化marcks peptide购自mce，型号为hy
‑
p1834。
57.槲皮素d5，即quercetin d5，购自mce，型号为18085s。
58.实施例1：本发明脐带间充质干细胞培养液的配制
59.1l脐带间充质干细胞培养液的配制步骤如下：
60.在880ml dmem/f12基础培养基中加入100ml血清替代品、20ml胎牛血清，待培养基颜色稳定后，加入10ng白介素
‑
6、磷酸化marcks peptide10mmol、5μmol quercetin d5，充分混匀，即得，4℃保存。
61.实施例2：本发明脐带间充质干细胞培养液的配制
62.1l脐带间充质干细胞培养液的配制步骤如下：
63.在880ml dmem/f12基础培养基中加入110ml血清替代品、10ml胎牛血清，待培养基颜色稳定后，加入1ng白介素
‑
6、磷酸化marcks peptide1mmol、1μmol quercetin d5，充分混匀，即得，4℃保存。
64.实施例3：本发明脐带间充质干细胞培养液的配制
65.1l脐带间充质干细胞培养液的配制步骤如下：
66.在880ml dmem/f12基础培养基中加入70ml血清替代品、50ml胎牛血清，待培养基颜色稳定后，加入100ng白介素
‑
6、磷酸化marcks peptide20mmol、10μmol quercetin d5，充分混匀，即得，4℃保存。
67.以下为对照培养液的制备。
68.对比例1：
69.本对比例的培养液与实施例1的培养液唯一的区别在于：不加白介素
‑
6。具体而言，本对比例培养液的配制步骤如下：
70.在880ml dmem/f12基础培养基中加入100ml血清替代品、20ml胎牛血清，待培养基颜色稳定后，加入磷酸化marcks peptide 10mmol、5μmol quercetin d5，充分混匀，即得，4℃保存。
71.对比例2：
72.本对比例的培养液与实施例1的培养液唯一的区别在于：不加磷酸化marcks peptide。具体而言，本对比例培养液的配制步骤如下：
73.在880ml dmem/f12基础培养基中加入100ml血清替代品、20ml胎牛血清，待培养基颜色稳定后，加入10ng白介素
‑
6、5μmol quercetin d5，充分混匀，即得，4℃保存。
74.对比例3：
75.本对比例的培养液与实施例1的培养液唯一的区别在于：不加quercetin d5。具体而言，本对比例培养液的配制步骤如下：
76.在880ml dmem/f12基础培养基中加入100ml血清替代品、20ml胎牛血清，待培养基颜色稳定后，加入10ng白介素
‑
6、磷酸化marcks peptide，充分混匀，即得，4℃保存。
77.以下通过试验例证明本发明的有益效果。
78.试验例1：脐带间充质干细胞传代培养
79.(1)试验方法
80.将原代脐带间充质干细胞采用实施例1制得的培养液培养贴壁，细胞快速生长，细胞形态正常，当细胞汇合度达到85％，利用0.25％的胰蛋白酶(sigma 110m7362v)/0.02％edta消化液消化贴壁脐带间充质干细胞，离心收集细胞，按照1：6传代培养，使用倒置显微镜拍照分析细胞生长状态。
81.使用accutase酶(ebioscience，00
‑
4555)消化第6代贴壁脐带间充质干细胞，制备成单细胞悬液，1000rpm离心5min，弃去上清，每个流式管中放入1
×
106的脐带间充质干细胞和50μl的抗体，细胞染色方案为：两个流式管，每管分别加入(ebioscience，anti
‑
cd90 fitc、anti
‑
cd45 pe
‑
cy、anti
‑
hla
‑
dr apc、anti
‑
cd34 pe)和(ebioscience，anti
‑
cd73 fitc、anti
‑
cd19 pe、anti
‑
cd11b apc、anti
‑
cd105 pe
‑
cy)，室温孵育30分钟后加入pbs缓冲液洗涤2次，以400μl pbs重悬上机检测，细胞检测的阳性指标有cd105，cd73和cd90；阴性指标包括cd45、cd34、cd11b、cd19、hla
‑
dr。流式结果使用flowjo软件进行分析。
82.(2)试验结果
83.从图1可以看出，脐带间充质干细胞体外培养过程中，第0代和第6代细胞的形态均正常。流式细胞仪分析结果显示(图2)，第6代脐带间充质干细胞标记表达正常，其中阳性指标cd105，cd73和cd90表达量均大于95％，阴性指标cd45、cd34、cd11b、cd19、hla
‑
dr表达量均小于0.5％，符合脐带间充质干细胞的鉴定标准。
84.试验例2：分离外泌体并进行形态鉴定
85.(1)试验方法
86.利用差速超速离心法分离外泌体。具体操作为：
87.参照试验例1的方法，分别利用实施例1和对比例1、2、3制得的培养液培养第4代脐带间充质干细胞，培养48小时后收集上清液。将上清液置于50ml离心管中，在4℃、2000g下离心30分钟，除去细胞碎片，取离心后的上清液置于超速离心管中，在4℃、1000g下离心70分钟后保留上清，得到外泌体浓缩液1。将外泌体浓缩液1移至新的超速离心管中，在4℃、
100000g下离心70分钟后保留沉淀，用pbs稀释沉淀，再次于4℃、100000g下离心70分钟后保留上清，得到外泌体浓缩液2，将外泌体浓缩液2经低吸附无菌滤膜(pall，0.22μm)过滤，pbs重悬后于
‑
80℃保存，即得外泌体。
88.将25μl外泌体滴加于铜网上放置2分钟，加20g/l的醋酸铀水溶液(1％，ph＝4.0)染色2min，自然干燥后，使用透射电子显微镜观察并拍摄照片。
89.(2)试验结果
90.从图3～图6可以看出，利用实施例1和对比例1、2、3制得的培养液分离得到的外泌体显示出典型的特征，为圆形或椭圆形的具有明显膜结构的小囊泡，可单个分布，也可聚集成群囊泡，囊泡内部可见低电子密度物质。
91.试验例3：分离外泌体中的总蛋白浓度测定
92.(1)试验方法
93.分别取试验例2中利用实施例1和对比例1、2、3制得的培养液分离得到的外泌体，加入蛋白裂解液rapa(含1％pmsf)，在涡旋振荡器上剧烈振荡30秒，4℃静置30分钟，充分裂解蛋白质。4℃，12000g离心15分钟，将上清转到新的1.5ml ep管，加入5
×
上样试剂缓冲液，煮沸7分钟，得外泌体蛋白样品。取10μl外泌体蛋白样品加入200μl bca蛋白定量工作液，37℃静置30分钟，使用酶标仪检测外泌体中的总蛋白量并计算外泌体中的总蛋白浓度。
94.(2)试验结果
95.从图7可以看出，与利用对比例1、2、3制得的培养液培养脐带间充质干细胞后分离得到的外泌体中总蛋白浓度相比，利用本发明实施例1制得的培养液培养脐带间充质干细胞后分离得到的外泌体中总蛋白浓度明显更高。而且，利用本发明实施例1制得的培养液培养脐带间充质干细胞后分离得到的外泌体中总蛋白浓度甚至高于利用对比例1、2、3制得的培养液培养脐带间充质干细胞后分离得到的外泌体中总蛋白浓度之和。
96.上述实验结果表明，利用本发明实施例1制得的培养液培养脐带间充质干细胞后分离得到的外泌体产量显著提高；而且，本发明实施例1制得的培养液中，白介素
‑
6、磷酸化marcks peptide和quercetin d5对提高脐带间充质干细胞外泌体产量发挥了协同增效的作用。
97.综上，本发明提供了一种提高干细胞外泌体产量的细胞培养液。实验结果表明，本发明提供的培养液能够促进脐带间充质干细胞囊泡的形成，通过激活sirt1基因活性，进而提高脐带间充质干细胞外泌体的产量。本发明提供的培养液中，白介素
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6、磷酸化marcks peptide和quercetin d5对提高脐带间充质干细胞外泌体产量发挥了协同增效的作用。本发明提供的培养液原料易得，制备方法简单，成本低廉，在制备高产量的外泌体中具有良好的应用前景。