賈佳　胡繼宏

[摘要] 骨髓間充質(zhì)干細胞（BMSCs）是骨髓基質(zhì)中存在的非造血系的具有多向分化潛能的成體干細胞，現(xiàn)已成為國內(nèi)外醫(yī)學(xué)研究的熱點。生物活性因子分布在人體各個組織中，對骨髓間充質(zhì)干細胞具有重要的調(diào)節(jié)作用。文章從BMSCs的含義、細胞特性、聯(lián)合多種生物活性因子及對組織的治療等方面進行詳細的闡述。

[關(guān)鍵詞] 生物活性因子；骨髓間充質(zhì)干細胞；基因修飾

[中圖分類號] R457.7 [文獻標(biāo)識碼]A [文章編號] 2095-0616（2014）13-48-04

[Abstract] Bone marrow mesenchymal stem cells （BMSCs） are non-hematopoietic adult stem cells existing in bone marrow matrix that have multi-directional differentiation potential and they have become the hotspot of domestic and overseas medical research.Bioactive factors distribute all over the tissues of human body and have important regulatory effect on the BMSCs.This paper illustrates the implication，cell characteristics，multiple bioactive factors combination，tissue treatment and other aspects in detail.

[Key words] Bioactive factor；Bone marrow mesenchymal stem cells；Gene modification

骨髓間充質(zhì)干細胞（bone mesenchymal stem cells，BMSCs）是一類自我更新能力強、多向分化潛能、可塑性高的干細胞。在特殊的誘導(dǎo)下，能分化為多種細胞，包括心肌細胞、骨細胞、神經(jīng)細胞、血管內(nèi)皮細胞等等。目前，轉(zhuǎn)基因技術(shù)的優(yōu)勢已發(fā)揮重大的作用，已有多種不同的生物活性因子被導(dǎo)入到BMSCs中，并持續(xù)在BMSCs中表達，進而誘導(dǎo)和刺激BMSCs的增殖、分化及成熟。

1 BMSCs的來源及其分子表達

目前研究最多、最為深入的就是骨髓來源的間充質(zhì)干細胞，它是構(gòu)成骨髓造血微環(huán)境的重要部分，具有支持和造血調(diào)控的作用。也有人稱其為骨髓基質(zhì)細胞，是因為它們來自骨髓的支持結(jié)構(gòu)，起到維持造血干細胞存活及其功能的作用。隨著對這種細胞研究的逐漸深入，發(fā)現(xiàn)其在多向分化、自我更新、免疫調(diào)節(jié)、分泌細胞因子功能等方面具有獨特的性質(zhì)，故目前學(xué)術(shù)界一般將其稱BMSCs。

一般認為，BMSCs能表達CD34、CD106、CD124、CD105、CD146、CD90、CD13、CD44、CD54、CD29、CD73、CD120a、CD166、SH2、SH3、SH4、STRO-1特異性細胞表面抗原以及ALCAM/CD44黏附分子，但一般不表達類似造血干細胞表面的相關(guān)分子[1]。

2 BMSCs的特性

在目前研究的干細胞中，應(yīng)用較為廣泛的就是BMSCs。它具有其他干細胞所沒有的的特性：（1）具有多向分化潛能，在適當(dāng)條件下可被誘導(dǎo)分化為心肌細胞、內(nèi)皮細胞及平滑肌細胞等多種細胞；（2）從骨髓中容易分離，在適宜的培養(yǎng)環(huán)境中能快速貼壁生長，容易純化，可成倍擴增，且具有遺傳穩(wěn)定性，在傳代后仍能保持原來的細胞特性，不會發(fā)生轉(zhuǎn)化；（3）可分泌多種細胞因子，這些細胞因子能改善重要器官的功能；（4）具有低免疫源性，這種特性的存在降低了BMSCs移植后所產(chǎn)生的免疫排斥反應(yīng)和相關(guān)并發(fā)癥的發(fā)生；（5）易導(dǎo)入外源基因，并可以持續(xù)地表達該基因，可以提高BMSCs移植的存活率，促血管生長等作用。這些特性決定BMSCs適合作為一種種子細胞進行有效的移植治療[2]。

3 修飾BMSCs的生物活性因子

生物活性因子主要有轉(zhuǎn)錄因子、營養(yǎng)及生長因子、信號分子及其通路等。下面將介紹近年來主要應(yīng)用于實驗方面的生物活性因子。

3.1 轉(zhuǎn)錄因子

GATA-4作為一種特定的蛋白轉(zhuǎn)錄因子，在細胞的分化、生長和存活的過程中起著至關(guān)重要的作用。它可以促進血管生成、增加細胞存活和分化，減少心肌細胞的凋亡。李紅霞等[3]探討了GATA-4過表達對大鼠骨髓間充質(zhì)干細胞保護心肌細胞的影響，試驗結(jié)果表明GATA-4轉(zhuǎn)染后，增加了BMSCs轉(zhuǎn)化為心肌樣細胞，并對心肌梗死后的重構(gòu)產(chǎn)生很大的作用。

SOX9基因是軟骨類細胞分化的一個必需轉(zhuǎn)錄因子，它除了是維持軟骨表型的主要調(diào)控基因之外，還可以增加Ⅱ型膠原及聚集蛋白聚糖（Aggrecan）基因的表達水平。許云等[4]探討了SOX9基因修飾骨髓間充質(zhì)干細胞并誘導(dǎo)其向髓核樣細胞分化的實驗研究，選用SOX9、Ⅱ型膠原及Aggrecan作為BMSC向髓核樣細胞分化的特征指標(biāo)，結(jié)果表明過表達SOX9基因特定環(huán)境中能促進骨、關(guān)節(jié)及軟骨細胞的再分化。

低氧誘導(dǎo)因子-1α（hypoxia-inducible factor 1α）是一種重要的核轉(zhuǎn)錄因子，目前被認為是最具有前途的治療基因之一。它具有促進血管新生、上調(diào)下游靶基因、改善組織的血液供應(yīng)等作用。王君等[5]探討了大鼠低氧誘導(dǎo)因子-1α基因轉(zhuǎn)染骨髓間充質(zhì)干細胞的實驗研究，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)染后BMSCs具有向神經(jīng)干細胞分化的潛能，并可維持該細胞的特點。更有研究發(fā)現(xiàn)，不同類型的HIF-1α基因誘導(dǎo)骨髓間充質(zhì)干細胞均能向心肌細胞分化，為兩者的聯(lián)合應(yīng)用提供了實驗證據(jù)[8]。endprint

還有很多相關(guān)的細胞轉(zhuǎn)錄因子，如Tbx-5和NKX2-5等均可誘導(dǎo)骨髓間充質(zhì)干細胞向心肌細胞分化[6]；Mef2c基因參與介導(dǎo)骨骼肌、心肌以及平滑肌細胞的分化過程；Cbfa-1基因則可促使骨髓干細胞向成骨細胞分化[7]。

3.2 營養(yǎng)因子及生長因子

血管內(nèi)皮生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）是一種高度特異性細胞因子，具有促進缺血心肌的毛細血管的再生，恢復(fù)血管內(nèi)皮的正常組織結(jié)構(gòu)及其生理功能，最終起到改善器官組織微循環(huán)的作用。楊鍇等[8]研究探討了VEGF基因轉(zhuǎn)染骨髓間充質(zhì)干細胞移植治療對大鼠心肌梗死組織血管再生以及心功能的影響，可明顯改善缺血心肌的心功能，促進血管再生和心肌細胞的形成。

堿性成纖維細胞生長因子（basic fibroblastgrowth factor，bFGF）是調(diào)控增殖及定向分化的首選生長因子之一，也是一種重要的營養(yǎng)因子，具有刺激新生血管形成，促進神經(jīng)細胞生長和纖維再生的作用，同時對軟骨細胞的分化和增殖也具有生物學(xué)效應(yīng)，是目前發(fā)現(xiàn)的最強的促細胞生長因子?？婞S泰等[9]研究了堿性成纖維細胞生長因子體外誘導(dǎo)犬骨髓間充質(zhì)干細胞向心肌樣細胞分化，還得出了bFGF體外誘導(dǎo)BMSCs向心肌細胞分化的最適濃度（10?/L），為今后的研究提供了證據(jù)。

膠質(zhì)細胞源性神經(jīng)營養(yǎng)因子（glialcell line-derivedneurotrophic factor，GDNF）是一種強效的神經(jīng)營養(yǎng)因子，除對神經(jīng)元具有保護作用外，對中樞神經(jīng)系統(tǒng)神經(jīng)元的分化、發(fā)育、生長和存活具有重要意義。杜杰等[10]探討了GDNF基因修飾的BMSCs向神經(jīng)元樣細胞的分化及神經(jīng)營養(yǎng)因子的表達，試驗結(jié)果提示GDNF具有誘導(dǎo)BMSCs向神經(jīng)元樣細胞分化的作用。

腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子（brain-derived neurotrophic factor，BDNF）是神經(jīng)營養(yǎng)因子家族中的重要成員，可以促進感覺神經(jīng)元譜系分化，維持運動神經(jīng)元的存活，對神經(jīng)細胞的生長發(fā)育及修復(fù)有重要的保護作用。于澤洋等[11]研究發(fā)現(xiàn)腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子轉(zhuǎn)染BMSCs可以有效表達該蛋白，并且使BMSCs向成骨細胞的分化進程加快，對骨折后損傷部位的組織修復(fù)等具有重要的作用，為臨床疾病提供了新的方向。

血管生成素-1（Angiopoietin-1）是一類重要的血管生長因子，可以提高血管內(nèi)皮細胞的存活力，對細胞凋亡有著抑制作用，可使血管通透性降低，減少血管的萎縮和退化。侯淑紅等[12]研究了Ang-1基因修飾骨髓間質(zhì)干細胞移植后心肌梗死大鼠的心功能變化，不僅穩(wěn)定了Ang-1基因的表達，提高了BMSCs存活率，而且對新生血管起到了很好的調(diào)控作用，改善了梗死心肌的功能。

血管緊張素Ⅱ（Angiotensin Ⅱ，AngⅡ）是一種細胞生長因子，具有調(diào)節(jié)水鈉代謝及血管張力的生理作用，可刺激血管平滑肌細胞、成纖維細胞的增生，還可誘導(dǎo)人骨髓間充質(zhì)干細胞分化為心肌樣細胞[13]。張蕾等[14]研究還發(fā)現(xiàn)血管緊張素Ⅱ聯(lián)合生長因子誘導(dǎo)人骨髓間充質(zhì)干細胞向多巴胺能神經(jīng)元分化。

胰島素樣生長因子1（Insulin-like growthfactor 1）是軟骨發(fā)育過程中一種強有力的合成代謝刺激生長因子，能夠促進軟骨細胞的增殖和成熟，延緩基質(zhì)的降解，抑制軟骨細胞的凋亡。鄔波等[15]探討了胰島素樣生長因子1對骨髓間充質(zhì)干細胞軟骨分化及基質(zhì)金屬蛋白酶表達的影響，結(jié)果顯示胰島素樣生長因子1能夠促進骨髓間充質(zhì)干細胞向軟骨細胞分化，還可保護軟骨膠原纖維的穩(wěn)定性。

轉(zhuǎn)化生長因子-β（transforming growth factor-β， TGF-β）是屬于TGF-β超家族的一組重要的生長因子，對細胞的增殖、分化、黏附和凋亡具有調(diào)控作用。目前研究較多的是TGF-β1和TGF-β3。呂洋等[16]采用了轉(zhuǎn)化生長因子β1對骨髓間充質(zhì)干細胞進行定向誘導(dǎo)，得到其定向可分化為心肌樣細胞，且分化的細胞還具有心肌細胞的特性。而王體俊等[17]研究了轉(zhuǎn)化生長因子β3和骨形態(tài)發(fā)生蛋白2基因共轉(zhuǎn)染骨髓干細胞，發(fā)現(xiàn)TGF-β3能增加骨形態(tài)發(fā)生蛋白的誘導(dǎo)成骨量，從而促進BMSCs的分化。

骨形態(tài)發(fā)生蛋白2（Bonemorphogenetic protein2）是一種多功能的細胞生長因子，在骨形態(tài)發(fā)生蛋白家族中是骨誘導(dǎo)性能最強的，對骨形成有調(diào)控作用。段智霞等[18]通過實驗證明骨形成蛋白2活性多肽在體外能誘導(dǎo)骨髓間充質(zhì)干細胞向成骨方向分化，且這種誘導(dǎo)效應(yīng)存在明顯的劑量依賴關(guān)系。

還有一些營養(yǎng)因子如神經(jīng)營養(yǎng)因子（NT）、神經(jīng)生長因子（NGF）、表皮生長因子（EGF），均能促使BMSCs向神經(jīng)元樣細胞分化[19-21]；肝細胞生長因子（HGF）體外誘導(dǎo)BMSCs可向肝細胞分化[22]；血小板源性生長因子（PDGF）則可促使BMSCs向心肌細胞和平滑肌細胞分化。

3.3 信號分子及信號通路

Wnt信號通路是一條高度保守的信號傳導(dǎo)通路。Wnt家族成員通過自分泌或旁分泌作用與細胞膜上的受體相結(jié)合，激活細胞內(nèi)的信號通路，調(diào)節(jié)靶基因的表達，在細胞增殖及遷移，心臟及神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育，干細胞分化及增殖等多種生理過程和腫瘤的發(fā)生和轉(zhuǎn)移等病理過程中起著至關(guān)重要的調(diào)節(jié)作用。近年來已有研究證實Wnt信號通路參與骨髓間充質(zhì)干細胞的定向分化及增殖的過程[23]。Wnt基因家族中研究最多的當(dāng)屬Wnt3a，Wnt5a和Wnt7a這三種蛋白信號因子。Wnt3a主要促進神經(jīng)干細胞以及成骨細胞的分化，且可使體外培養(yǎng)的BMSCs大量增殖[24]。沈亞莉等[25]的研究證明了通過腺病毒實現(xiàn)了外源性wnt5a基因轉(zhuǎn)染bMSCs，促進了BMSCs的增殖。而Wnt7a對促進BMSCs向神經(jīng)元樣細胞分化有重要作用[26]。endprint

Notch信號通路是一條保守而重要的通路。Notch通路幾乎涉及到了所有的細胞，對細胞的分化、增殖及凋亡起到了重要的調(diào)控作用。Notch信號通路還參與BMSCs分化的調(diào)節(jié)過程。柳柯等[27]研究了Notch信號通路在骨髓間充質(zhì)干細胞向肝細胞分化過程中的動態(tài)表達特征，用實驗方法檢測到在Notch信號通路中關(guān)鍵因子的表達作用，為干細胞的臨床未來治療提供了基礎(chǔ)。

Hedgehog信號通路是一條保守而高效的通路，對各種組織器官的形態(tài)功能有著調(diào)節(jié)作用。Hedgehog家族蛋白是一種分泌型信號蛋白，主要包括Shh、Ihh和Dhh。其中的Shh和Ihh，不僅能調(diào)控成骨細胞的分化，還能促進BMSCs的增殖分化[28]。Hedgehog信號通路被抑制劑激活后還能抑制BMSCs向脂肪細胞分化[29]。目前尚有許多關(guān)于Hedgehog信號通路及相關(guān)分子機制研究的不確定性，還需要我們進一步去證實。

4 存在問題及展望

骨髓間充質(zhì)干細胞是重要的組織工程學(xué)細胞，具有廣闊的應(yīng)用前景，它可以誘導(dǎo)分化為多種細胞，如心肌細胞、成骨細胞、神經(jīng)細胞等。而基因?qū)撬栝g充質(zhì)干細胞的修飾作用，不僅可以增強其定向分化的能力，還能促進細胞的增殖，調(diào)控細胞的凋亡。目前骨髓間充質(zhì)干細胞的研究已經(jīng)取得了很多的成績，但還有很多問題需要我們?nèi)ソ鉀Q，比如如何提高被修飾后的骨髓間充質(zhì)干細胞的機體存活率；某些基因?qū)撬栝g充質(zhì)干細胞的作用機制尚不是很清楚，應(yīng)用于人體當(dāng)中會不會有負性作用，還有待進一步的驗證。

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（收稿日期：2014-04-10）endprint