DMEM培养基是一种广泛用于哺乳动物细胞培养的基础培养基，是细胞生物学研究中最广泛使用的基础培养基之一。该培养基是由Dulbecco改良Eagle基础培养基而开发的高浓度葡萄糖培养基,含有高浓度的氨基酸、维生素及无机盐,尤其适用于快速增殖和高代谢需求的细胞类型。骨髓间充质干细胞(BMSCs)作为组织工程和再生医学的重要种子细胞,其体外扩增和定向分化离不开合适的培养基体系。DMEM培养基凭借其成分明确、营养丰富、兼容性好等优点,成为BMSCs培养的主流选择。
近年来,研究者不断在DMEM培养基中添加各种生物活性物质,以优化BMSCs的增殖和分化效果。例如,自体富血小板血浆(PRP)富含多种生长因子,可在其中协同促进BMSCs向软骨分化。而中药活性单体薯蓣皂苷亦可在当中调节信号通路,诱导BMSCs成骨分化。
DMEM培养基在兔BMSCs增殖及软骨分化中的应用
在观察不同浓度PRP对兔BMSCs体外增殖及向软骨细胞分化的影响的研究中。所有细胞均培养在水凝胶三维环境内,而培养基则统一采用DMEM培养基作为基础液。研究者将实验分为四组:空白对照组采用不含血小板的血浆联合DMEM培养基，5% PRP组、10% PRP组和20% PRP组则分别使用含相应浓度PRP的DMEM培养基进行培养。所有培养基均添加了常规浓度的胎牛血清及抗生素[1]。
MTT法结果显示,空白对照组细胞在单纯DMEM培养基中呈现缓慢递增的增殖趋势;而添加PRP的三组培养基从培养第3天开始即出现快速增殖,第6天进入平台期。第3至第7天,含PRP的三组培养基中的细胞数显著多于空白对照组,其中10% PRP组的DMEM培养基细胞数量最多。这一结果直接证实DMEM培养基能够有效支持兔BMSCs的生长,而向培养基中添加适量PRP可进一步放大其促增殖效应[1]。
培养3周后,研究者通过HE染色和Ⅱ型胶原免疫组化对细胞/水凝胶团进行鉴定。显示在空白对照组的DMEM培养基中,仅有极少量软骨样细胞形成;而三种含PRP的培养基组均能观察到典型的软骨细胞形态,细胞呈椭圆形或卵圆形,成熟细胞分布于软骨陷窝内。10% PRP组的培养基诱导产生的软骨样细胞数量最多,显著高于5%和20% PRP组。Ⅱ型胶原免疫组化同样表明,含PRP的培养基组阳性面积占比均显著大于空白对照组,其中10% PRP组的培养基阳性面积最大[1]。上述结果说明,DMEM培养基作为载体,其内PRP浓度直接决定了BMSCs向软骨分化的效率,而10%是较为优化的浓度。
DMEM培养基在大鼠BMSCs成骨分化中的关键作用
在薯蓣皂苷(Dioscin)对大鼠BMSCs成骨分化的影响及其与Hedgehog信号通路的关系研究中。同样以DMEM培养基为基础培养体系,但根据实验需要调整了胎牛血清浓度(15%)并添加不同浓度的薯蓣皂苷。具体分组如下:对照组使用不含薯蓣皂苷的培养基，薯蓣皂苷低、中、高浓度组分别使用含1、3、9 μmol/mL薯蓣皂苷的培养基，阳性对照组则使用添加成骨诱导液的培养基[2]。
培养7天后,茜素红染色观察矿化结节。结果显示,在对照组的普通DMEM培养基中仅能见到点状矿化结节，随着薯蓣皂苷在培养基中的浓度递增，矿化结节的数目依次增多、体积依次增大,呈现出浓度依赖性。阳性对照组的DMEM培养基(含地塞米松等成骨诱导成分)形成的矿化结节最多，连接成片。这表明，DMEM培养基能够均匀分散薯蓣皂苷分子，使其有效接触BMSCs,从而诱导成骨分化。同时,CCK-8检测表明,含薯蓣皂苷的培养基可显著提高细胞增殖率，且呈浓度依赖性，提示DMEM培养基为细胞增殖提供了充足的营养支持[2]。
碱性磷酸酶(ALP)是成骨分化的早期标志物。研究者检测了各组DMEM培养基培养后BMSCs的ALP水平。结果显示,与对照组相比,含薯蓣皂苷的培养基显著提高了ALP活性，且高浓度组效果最强。阳性对照组DMEM培养基的ALP活性更高,但考虑到地塞米松的副作用,薯蓣皂苷仍具有优势[2]。这一结果再次证明,DMEM培养基作为基础溶剂,能够使药物均匀作用于细胞,并真实反映其生物学效应。
进一步的荧光定量PCR和Western Blot检测表明,使用含薯蓣皂苷的DMEM培养基培养后,BMSCs中SHH、IHH、Runx2 mRNA表达水平以及Smo、Gli1、Ptch1蛋白表达水平均显著升高,且与薯蓣皂苷浓度呈正相关。这些分子均为Hedgehog信号通路的关键成员。研究者因此得出结论,薯蓣皂苷通过激活Hedgehog信号通路促进BMSCs成骨分化,而这一过程离不开DMEM培养基所提供的稳定、可控的微环境。
总结
综合以上两篇研究,DMEM培养基在BMSCs研究中的应用具有以下突出优势:第一,DMEM培养基营养丰富,葡萄糖浓度高(通常为4.5 g/L),能够支持BMSCs快速增殖,满足大规模扩增的需求。第二,培养基配方明确,便于研究者精确控制添加物浓度(如PRP的5%、10%、20%,薯蓣皂苷的1、3、9 μmol/mL),从而筛选出最佳工作浓度。第三,培养基兼容性强,既可配合二维贴壁培养,也可与三维水凝胶支架联用,适用于复杂的组织工程模型。第四,DMEM培养基适用于多种检测方法(MTT、茜素红、HE、免疫组化等),数据可比性好。
两项研究均对DMEM培养基进行了不同程度的改良，在水凝胶三维环境中使用DMEM培养基和提高了胎牛血清比例。这表示研究者可根据具体实验目的灵活调整该培养基的组分，但应始终保持基础培养基的一致性。
参考文献
[1] 林春博, 姚军, 农桔安, 等. 不同浓度富血小板血浆促进骨髓间充质干细胞增殖及向软骨细胞分化的实验研究[J]. 广西医科大学学报, 2020, 37(12): 2147-2152.
[2] 颜国标, 宋浩民, 林南星. 薯蓣皂苷通过信号通路对大鼠骨髓间充质干细胞成骨分化的影响[J]. 2023, 31(7): 1-5.