吳悄

（福建師范大學生命科學學院，福建 福州 350117）

骨髓間充質(zhì)干細胞是從骨髓中分離出的一類非造血干細胞，可以為造血干細胞提供支持和營養(yǎng)作用，且具有多項分化潛能，在不同條件的誘導下可分化成不同的細胞[1]，而且在體外培養(yǎng)條件簡單，能避免移植后排斥反應，這使其被視為再生醫(yī)學中具有發(fā)展?jié)撃艿募毎鸞2]。自從骨髓間充質(zhì)干細胞被第一次發(fā)現(xiàn)至今，已經(jīng)對其在體內(nèi)外的多系分化進行了廣泛的研究，在骨髓間充質(zhì)干細胞向特定細胞類型分化的過程中，有多種刺激和抑制因子在分化的初期和后期發(fā)揮重要作用[3]。目前，關(guān)節(jié)軟骨損傷、骨質(zhì)疏松等骨傷疾病的臨床治療仍是一項難題，在此對有關(guān)骨髓間充質(zhì)干細胞定向誘導分化為成軟骨細胞和成骨細胞的影響因素的進行綜述總結(jié)，期望為骨傷疾病的應用研究與臨床治療提供一定的理論支持。

1 成軟骨分化

目前，關(guān)節(jié)軟骨損傷是骨傷疾病治療的難題，關(guān)節(jié)軟骨內(nèi)只含有軟骨細胞，要想真正治療這項疾病就要保證軟骨細胞的正常分化或者誘導分化。軟骨細胞具有合成和分泌胞外基質(zhì)與纖維的功能，特別是Ⅱ型膠原蛋白，其對調(diào)節(jié)軟骨代謝、維持關(guān)節(jié)功能起著關(guān)鍵作用，是軟骨細胞的特征性標志[4]。軟骨細胞的來源有限和自我修復能力差是軟骨組織工程發(fā)展和應用的主要困難之一[5]，因此目前研究和應用最多的是尋找和利用各種不同條件誘導BMSCs分化為軟骨細胞。

1.1 轉(zhuǎn)錄因子

研究表明，不同類型轉(zhuǎn)錄因子可以誘導骨髓間充質(zhì)干細胞向不同類型的成熟細胞分化，通過激活轉(zhuǎn)錄因子，這種作用可能通過上調(diào)負責誘導和推進特定細胞類型分化的基因的表達而發(fā)生[3]。在骨髓間充質(zhì)干細胞向軟骨細胞分化過程中，性別決定Y染色體區(qū)域（SRY）相關(guān)的高遷移率族盒基因9（Sox9）是起關(guān)鍵作用的主要轉(zhuǎn)錄因子[6]，SOX9發(fā)揮作用是通過與軟骨構(gòu)成過程中涉及的相關(guān)基因的啟動子結(jié)合來調(diào)控Ⅸ型膠原蛋白的表達。研究發(fā)現(xiàn)，通過上調(diào)miR-574-3p可以抑制Sox9的表達和BMSCs的軟骨分化[7]，腫瘤壞死因子-α也被發(fā)現(xiàn)可以上調(diào)Sox9基因的表達進而增加軟骨的形成[8]，通過腺病毒介導的Bmp2和Sox9在小鼠胚胎BMSCs中的共表達也能有效地促進體外培養(yǎng)的軟骨分化[9]。

鋅指蛋白145(ZNF145）也被報道在骨髓間充質(zhì)干細胞向軟骨細胞分化過程中發(fā)揮作用。研究表明，ZNF145的抑制降低了BMSCs的軟骨分化，而ZNF145的過表達則增強了Sox9的表達和軟骨形成[10]。目前已被廣泛研究的BMSCs成軟骨分化的主要調(diào)控因子包括SOX9和ZNF145，其他轉(zhuǎn)錄因子包括FOXO3a、HOXD9、HOXD10、HOXD11、HOXD13、STAT3和WNT11等也被報道在BMSCs向軟骨細胞分化過程中起功能作用。

1.2 其他細胞因子

轉(zhuǎn)化生長因子β（TGF-β）能夠調(diào)節(jié)細胞生長、分化和免疫功能，可以促進骨和軟骨修復，并且在胚胎形成期可以誘導骨髓間充質(zhì)干細胞分化形成軟骨組織[11]，因此在軟骨的形成過程中起了非常重要的作用。已有實驗利用TGF-β1和BMP-2單獨誘導BMSCs以及兩者聯(lián)合誘導BMSCs，分別從細胞形態(tài)、粘多糖和膠原蛋白水平證實了軟骨細胞的存在，說明這兩種細胞因子均可誘導BMSCs向軟骨細胞分化，而用DMB比色法分別檢測每組糖胺聚糖含量的結(jié)果證實了TGF-β1、BMP-2聯(lián)合誘導比兩者的單獨誘導效果更好，兩者聯(lián)合誘導更能使BMSCs向軟骨細胞分化[12]。成纖維生長因子（FGF）能促進細胞增殖、抑制破骨細胞、促進軟骨基質(zhì)合成，特別是Ⅱ型膠原的合成。有研究表明，加入bFGF 培養(yǎng)后，BMSCs中糖胺聚糖含量與膠原含量都得到很大提升，說明在培養(yǎng)BMSCs時加入bFGF有利于誘導其向成軟骨方向分化[13]。胰島素樣生長因子1（IGF-1）是一組具有促進生長作用的多肽類物質(zhì)，能夠促進細胞的有絲分裂、增殖分化、成熟穩(wěn)定等[14]。有實驗證明IGF-1對于BMSCs向軟骨分化具有促進作用，并且單獨應用IGF-1也能夠有效促進BMSCs的增殖和成軟骨能力，同時促進其分泌和維持軟骨特異性膠原[15]。

2 成骨分化

骨質(zhì)疏松癥是一種骨質(zhì)量和骨密度下降導致骨頭脆性增加而容易發(fā)生骨折的一種疾病，是老年患者致殘和致死的主要原因之一。骨髓間充質(zhì)干細胞可以向多個方向分化，各個方向的分化之間存在著相互制約的平衡關(guān)系，如果該平衡被打破，便會導致代謝相關(guān)的疾病或發(fā)育的異常[16]，因此如果機體自身向成骨分化產(chǎn)生失衡的結(jié)果時，能夠定向誘導BMSCs向成骨細胞分化便至關(guān)重要。

2.1 轉(zhuǎn)錄因子

成骨分化的過程中也受到許多轉(zhuǎn)錄因子的控制，其中Runt相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子2(Runx2)、成骨細胞特異性轉(zhuǎn)錄因子（Osterix）和β-連環(huán)蛋白（βcatenin）發(fā)揮著舉足輕重的作用。Runx2轉(zhuǎn)錄因子是骨髓間充質(zhì)干細胞成骨分化和骨形成的重要調(diào)節(jié)因子，它引導骨髓間充質(zhì)干細胞分化為成骨前細胞，并抑制成脂和成軟骨分化[17]。通過病毒轉(zhuǎn)導Runx2的小鼠的骨髓間充質(zhì)干細胞能夠形成比對照組更多的骨細胞，表明Runx2在成骨分化中起重要作用[18]。還有實驗證明同源框蛋白HOX-B7過表達會使轉(zhuǎn)錄因子Runx2的mRNA表達上調(diào)，并促進成骨分化，說明HOX-B7可以通過上調(diào)Runx2的表達來促進成骨分化[19]。Osterix屬于特異性蛋白1（Sp1）轉(zhuǎn)錄因子家族，在Runx2/Cbfa1基因缺失的小鼠中，Osterix不表達，因此Osterix可能是Runx2的下游，且實驗證明Osterix是骨髓間充質(zhì)干細胞定向分化為成骨細胞所必需的，因此也是骨形成所必需的[20]。β-catenin在骨髓間充質(zhì)干細胞向成骨細胞分化過程中也起著至關(guān)重要的作用，β-catenin的缺失會阻礙成骨分化，并使骨髓間充質(zhì)干細胞有可能分化為軟骨細胞[21]。

2.2 其他細胞因子

血小板衍生生長因子（PDGF）是存在于血小板中的一種蛋白質(zhì)，能促進細胞分裂和遷移。經(jīng)實驗證明，在骨折愈合的早期，PDGF-BB就會存在，并一直延續(xù)至完全愈合，且在體外進行骨髓間充質(zhì)干細胞培養(yǎng)時，加入PDGF-BB誘導后能使Ⅰ型膠原表達明顯增加，且Gli2和Runx2的表達量相較于對照組也明顯升高，這樣的結(jié)果說明骨髓間充質(zhì)干細胞經(jīng)PDGF-BB誘導后可以提高向成骨方向分化的概率[22]。低氧誘導因子-1α（HIF-1α）的上調(diào)會使Tgf-β和Runx2的表達提高，而下調(diào)HIF-1α后Tgf-β和Runx2的表達被顯著抑制，說明HIF-1α可以通過調(diào)控TGF-β、Runx2等水平影響B(tài)MSCs的成骨分化[23]。

2.3 其他物質(zhì)

辛伐他汀是一種降血脂的藥，有研究表明辛伐他汀不僅能降血脂，同時也能提高骨密度[24]，同時還能促進骨的形成和骨髓間充質(zhì)干細胞的成骨分化[25，26]。更有研究表明辛伐他汀可以促進骨鈣素和Ⅰ型膠原的表達，并且可能通過激活p38絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)信號通路促進骨髓間充質(zhì)干細胞向成骨方向分化[16]。

龜板在中醫(yī)藥中是一種養(yǎng)腎的藥物，且中醫(yī)學中還有“腎主骨”的理論，因此若以龜板入藥，對于骨髓間充質(zhì)干細胞分化成骨應該是有促進作用的。有研究表明用含龜板血清培養(yǎng)骨髓間充質(zhì)干細胞可使ALP活性增強及細胞外基質(zhì)鈣化，這是成骨細胞分化成熟的兩個重要標志，說明其的確能促進骨髓間充質(zhì)干細胞成骨分化[27]。

3 討論

骨髓間充質(zhì)干細胞作為再生醫(yī)學研究的重要對象，其定向分化機制受到了眾多學者的關(guān)注，發(fā)現(xiàn)了許多相關(guān)信號分子的作用以及中醫(yī)藥在此方面的作用，為關(guān)節(jié)軟骨損傷、骨質(zhì)疏松等骨傷疾病的臨床研究奠定了基礎，但至今仍對于信號通路之間的聯(lián)系以及機體內(nèi)BMSCs自我更新等還存在很多疑問，有待進一步的探究，且在臨床應用上還有很多問題需要解決。