王 鑫，許文靜，彭 江，盧世璧

間充質(zhì)干細(xì)胞歸巢在骨損傷修復(fù)中的作用及其影響因素

王 鑫，許文靜，彭 江，盧世璧

間質(zhì)干細(xì)胞;骨折愈合;歸巢

間充質(zhì)干細(xì)胞已在干細(xì)胞移植、組織工程及免疫治療等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。其在動(dòng)物模型中已證實(shí)可遷移到損傷的部位，但其潛在的機(jī)制還不是十分清楚。趨化分子受體、補(bǔ)體及黏附分子在白細(xì)胞向特異性組織歸巢中起重要作用，并參與了造血前體細(xì)胞的運(yùn)輸。間充質(zhì)干細(xì)胞的遷移很可能有相似之處。本文對(duì)間充質(zhì)干細(xì)胞的來源、其歸巢促骨缺損修復(fù)作用的內(nèi)外因進(jìn)行綜述。

1 間充質(zhì)干細(xì)胞的來源及其在骨損傷修復(fù)中的歸巢過程

1.1 間充質(zhì)干細(xì)胞的來源 間充質(zhì)干細(xì)胞在體內(nèi)的來源出自于體內(nèi)的間充質(zhì)干細(xì)胞生態(tài)位。生態(tài)位的概念來由Scadden［1］提出，其意義為促進(jìn)內(nèi)環(huán)境平衡及維持間充質(zhì)干細(xì)胞的數(shù)量保持。當(dāng)體內(nèi)某處發(fā)生損傷時(shí)，生態(tài)位就會(huì)動(dòng)員起來，不斷地產(chǎn)生并輸出干細(xì)胞歸巢至損傷部位參與修復(fù)。生態(tài)位位于血管壁附近、松質(zhì)骨的骨內(nèi)膜表面、纖維內(nèi)等位置，如骨髓、骨內(nèi)膜、脂肪、滑膜、臍帶血及牙組織等。其中骨髓仍然是多年來用于骨缺損修復(fù)的間充質(zhì)干細(xì)胞的重要來源［2］。

1.2 間充質(zhì)干細(xì)胞歸巢的過程 作為復(fù)合性材料，骨組織的形成和生長(zhǎng)是一個(gè)復(fù)雜的過程，包括了分子、細(xì)胞、生物化學(xué)代謝變化。骨組織是一個(gè)致密的結(jié)構(gòu)，其壓力及生物學(xué)環(huán)境與其結(jié)構(gòu)和功能息息相關(guān)［3］。骨折后的立時(shí)反應(yīng)是血腫形成和炎性反應(yīng)。血腫的形成是為了防止進(jìn)一步出血和因子的丟失。炎性反應(yīng)為骨折端提供了初始穩(wěn)定性，炎癥的級(jí)聯(lián)反應(yīng)有助于骨折愈合。血腫形成后前體細(xì)胞聚集形成新的血管、纖維及支持細(xì)胞，骨折端形成肉芽組織。干細(xì)胞通過調(diào)節(jié)炎性因子的表達(dá)，在損傷過程中限制了損傷的纖維化進(jìn)程，提高了再生速度。在此時(shí)骨折處的環(huán)境相當(dāng)復(fù)雜:血管被破壞導(dǎo)致骨折早期骨折端的局部低氧環(huán)境，使包括間充質(zhì)干細(xì)胞和骨細(xì)胞在內(nèi)的多種細(xì)胞產(chǎn)生了有益的調(diào)節(jié)性刺激［4-5］。新骨也被公認(rèn)為是在低氧分壓下生成的［6］。低氧組織表達(dá)基因增強(qiáng)了細(xì)胞在低氧條件下的生存能力并重建脈管系統(tǒng)增強(qiáng)供氧。另外，低氧誘導(dǎo)了趨化因子的產(chǎn)生，從而促進(jìn)細(xì)胞遷移、增殖，新骨形成。血小板、炎性細(xì)胞和巨噬細(xì)胞到達(dá)損傷處分泌細(xì)胞因子和生長(zhǎng)因子，包括白介素6(IL-6)、血小板源生長(zhǎng)因子(PDGF)、血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(VEGF)和骨形態(tài)形成蛋白(BMP)［7］，這個(gè)分子反應(yīng)導(dǎo)致了間充質(zhì)干細(xì)胞的遷移，并分化為軟骨細(xì)胞及骨細(xì)胞以完成修復(fù)。骨折處的微環(huán)境及歸巢的干細(xì)胞的數(shù)量對(duì)骨折的修復(fù)都起到很重要的作用。

2 影響間充質(zhì)干細(xì)胞歸巢的內(nèi)部因素

在骨折過程中，體循環(huán)中的前體細(xì)胞被招募至損傷處是一個(gè)正常反應(yīng)的生化過程［8］，這個(gè)間充質(zhì)干細(xì)胞遷移至骨折處的機(jī)制目前還不是十分清楚。細(xì)胞因子和趨化因子很可能在此過程中起到十分重要的作用，其中的很多因子都是化學(xué)引誘物。干細(xì)胞表面也表達(dá)許多趨化因子的受體，趨化因子介導(dǎo)的干細(xì)胞歸巢的體內(nèi)體外研究也都有報(bào)道［9］。

2.1 正向調(diào)節(jié)的因子 最主要的趨化因子包括基質(zhì)細(xì)胞衍生因子1(SDF-1)、轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β(TGF-β)等。研究最多的因子之一是SDF-1/B細(xì)胞刺激因子前體B/C-X-C配體12(CXCL-12)。SDF-1被認(rèn)為是CXCR4陽(yáng)性的干細(xì)胞和祖細(xì)胞的主調(diào)控器。在缺血性損傷處，表達(dá)的SDF-1因子會(huì)調(diào)控細(xì)胞化分成成熟的等修復(fù)細(xì)胞［8，10］。Toupadakis 等［11］研究發(fā)現(xiàn)SDF-1/CXC receptor 4(CXCR4)信號(hào)通路在骨折愈合過程中起重要作用。盡管CXCR4僅在一小部分間充質(zhì)干細(xì)胞表面表達(dá)，但其仍是間充質(zhì)干細(xì)胞，尤其是骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞遷移的一個(gè)關(guān)鍵因子［12-13］。因此，提高骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的 CXCR4的配體可以提高干細(xì)胞的增殖和遷移［14］。SDF-1與BMP2其他細(xì)胞因子間也存在協(xié)同作用。提高了骨折修復(fù)的效率［12］。TGF-β存在于正常組織中，也富含于動(dòng)物的骨組織及血小板內(nèi)的轉(zhuǎn)化細(xì)胞內(nèi)。TGF-β由血小板在骨折開始的炎性反應(yīng)期釋放，很可能與骨痂的初始形成相關(guān)。TGF-β對(duì)骨髓源性的間充質(zhì)干細(xì)胞有很強(qiáng)的趨化性，其促進(jìn)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的增殖，促進(jìn)成骨細(xì)胞前體、軟骨細(xì)胞及成骨細(xì)胞的生成，并誘導(dǎo)膠原、骨橋蛋白、骨鈣蛋白、蛋白聚糖，堿性磷酸酶，并可提高其他細(xì)胞外蛋白［15］，其能提高BMP信號(hào)，從而增強(qiáng)成骨并抑制破骨細(xì)胞的活性，促細(xì)胞凋亡。成軟骨及成骨細(xì)胞有許多的受體［16］，TGF-β在骨折愈合的每個(gè)階段都發(fā)揮著作用。盡管TGF-β可以促進(jìn)細(xì)胞增殖，但其成骨誘導(dǎo)作用卻有限。反復(fù)或大劑量藥物治療可獲得明顯的誘導(dǎo)效果，但其很難在臨床推廣，并有可能有很多的不良反應(yīng)。在骨折愈合過程中，成纖維生長(zhǎng)因子(FGF)由單核細(xì)胞、間充質(zhì)細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、成骨細(xì)胞和軟骨細(xì)胞合成，其可以調(diào)節(jié)細(xì)胞遷移、分化和增殖并參與損傷的修復(fù)和血管化［17］。這一作用是通過與酪氨酸激酶粘合獲得的。FGF在骨折愈合早期的血管形成和間質(zhì)細(xì)胞有絲分裂中起到重要作用。外源性bFGF的應(yīng)用能加快骨修復(fù)，并刺激骨痂重塑以重構(gòu)生物力學(xué)屬性［18］。FGF能提高新骨數(shù)量及礦物含量，此作用是劑量依賴性的，一劑注射即可提高骨痂中軟骨形成前體細(xì)胞的增殖并形成更多的軟骨，但其不能提高軟骨細(xì)胞的成熟或加速軟骨向骨的轉(zhuǎn)化［19］。NEL樣分子1(NELL-1)是一個(gè)控制成骨分化的顱骨早閉相關(guān)分子［20］。NELL-1在許多骨再生相關(guān)的動(dòng)物模型上都表現(xiàn)出了很強(qiáng)的骨誘導(dǎo)能力［21-23］。Xue等［24］人運(yùn)用腺病毒轉(zhuǎn)染 NELL-1 進(jìn)行體內(nèi)實(shí)驗(yàn)探討了其對(duì)股骨牽張成骨的有效作用。骨鈣蛋白和骨橋蛋白的表達(dá)均明顯增高。PDGF對(duì)炎性因子有很強(qiáng)的趨化作用，對(duì)間充質(zhì)干細(xì)胞有很強(qiáng)的刺激效應(yīng)，能促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖和遷移［25］。在骨折愈合的早中期，PDGF提高了間充質(zhì)干細(xì)胞在軟骨和骨形成的發(fā)育過程。PDGF與BMP也具有協(xié)同效應(yīng)，可加速骨缺損修復(fù)，但PDGF是否可應(yīng)用于臨床骨折的治療尚不確定。此外，胰島素生長(zhǎng)因子作用于間充質(zhì)干細(xì)胞能通過軟骨內(nèi)成骨從而促進(jìn)骨折愈合［26］，甲狀旁腺素在治療骨缺損時(shí)可能增強(qiáng)了間充質(zhì)干細(xì)胞的增殖，降低了其衰和凋亡［27］。

2.2 負(fù)向調(diào)節(jié)的因子 并非所有的因子都促進(jìn)間充質(zhì)干細(xì)胞遷移。Ode等［28］研究發(fā)現(xiàn)，間充質(zhì)干細(xì)胞的歸巢在CD73/CD29的共同細(xì)胞機(jī)械刺激控制下，CD73和CD29共同協(xié)調(diào)機(jī)械刺激從而降低了間充質(zhì)干細(xì)胞的遷移［28］。骨折愈合不是一個(gè)孤立的過程，而是許多因子協(xié)同作用于干細(xì)胞的歸巢，從而促進(jìn)其分化，更低的劑量就可以有更好的治療效果。有研究發(fā)現(xiàn)，BMP-2、VEGF和bFGF有劑量和時(shí)間依賴性，在促進(jìn)間充質(zhì)干細(xì)胞成骨分化中有很強(qiáng)的協(xié)同效應(yīng)，使用每一種因子很低的濃度就可獲得很好的協(xié)同效應(yīng)［29］。在合適的時(shí)間使用適宜的因子并減少使用劑量，還需要大量的工作。

3 影響間充質(zhì)干細(xì)胞歸巢的外部因素

在骨再生的過程中，除了間充質(zhì)干細(xì)胞歸巢的內(nèi)在環(huán)境影響外，骨折處周邊物理環(huán)境也必須考慮在內(nèi)。在骨折愈合過程中的機(jī)械載荷對(duì)間充質(zhì)干細(xì)胞的細(xì)胞特性和功能行為也有一定影響，并影響著骨再生與礦化重建。

3.1 機(jī)械刺激 研究表明，骨折后系統(tǒng)注射干細(xì)胞，并定時(shí)定量地予以軸向加載位移機(jī)械刺激后會(huì)促進(jìn)干細(xì)胞的增殖分化，明顯增加了骨痂的形成及機(jī)械屬性，促進(jìn)了骨的生成及力學(xué)屬性［30］。

3.2 光電及超聲波刺激 衰變波(DW)和電容耦合(CC)可以降低細(xì)胞毒性，增強(qiáng)人間充質(zhì)干細(xì)胞體內(nèi)的侵襲及增殖能力［31］，從而達(dá)到促進(jìn)骨折愈合的目的。在骨折愈合過程中存在自然電場(chǎng)可以引導(dǎo)細(xì)胞遷移到骨折處促進(jìn)骨折愈合。在電解作用的低氧張力環(huán)境下和細(xì)胞外的高pH環(huán)境中，電刺激的結(jié)果就會(huì)導(dǎo)致軟骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞分化及基質(zhì)礦化。電刺激加速了骨痂成熟從而加速了骨折愈合［32］。低能級(jí)激光輻射能提升間充質(zhì)干細(xì)胞的增殖潛能［33］。激光通過提高軟骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞的增殖和再生能力活化骨的形成。隨后在骨折端局部形成新的毛細(xì)血管，并產(chǎn)生大量的鈣鹽沉積。因此，在移植間充質(zhì)干細(xì)胞前使用二極管激光器預(yù)處理可能會(huì)是一個(gè)有效促進(jìn)骨愈合的方法。低強(qiáng)度的脈沖超聲波(LIPUS)能增強(qiáng)間充質(zhì)干細(xì)胞與磷酸鈣的復(fù)合，增加一些骨蛋白的表達(dá)及骨礦化含量和密度，提高骨的生物力學(xué)屬性，其通過提高軟骨的形成從而加速軟骨化骨的進(jìn)程［34-35］。

4 展望

間充質(zhì)干細(xì)胞歸巢促進(jìn)骨修復(fù)，包括細(xì)胞招募、遷移、分化和增殖。臨床常用骨髓提取物在體外擴(kuò)增后獲得的骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞移植治療骨折患者，明顯促進(jìn)了骨折愈合，但其機(jī)制并未完全清楚。作為修復(fù)骨缺損的理想干細(xì)胞來源應(yīng)滿足獲取容易且盡可能無創(chuàng)，獲取的細(xì)胞在體外培養(yǎng)能夠迅速增殖以達(dá)到移植的條件，在宿主體內(nèi)相容性要好，能良好存活且能發(fā)揮增殖分化的作用。趨化因子與其受體間的作用可明確調(diào)節(jié)間充質(zhì)干細(xì)胞的組織修復(fù)能力。間充質(zhì)干細(xì)胞的效果是明顯的，但要將其用于臨床尚存在一些問題，如應(yīng)在何時(shí)、通過何種途徑、如何應(yīng)用相關(guān)細(xì)胞因子及其有利因素來更好地刺激間充質(zhì)干細(xì)胞發(fā)揮正面作用，轉(zhuǎn)基因?qū)τ陂g充質(zhì)干細(xì)胞特性的改變，同種異體間充質(zhì)干細(xì)胞移植后對(duì)宿主T細(xì)胞功能的壓制反而有利于腫瘤的生長(zhǎng)等［36-37］?？傮w來說，我們?nèi)孕枰剿饕环N簡(jiǎn)單、有效的方法來提高間充質(zhì)干細(xì)胞的歸巢，從而促進(jìn)骨折修復(fù)，并進(jìn)一步促進(jìn)骨缺損及骨不連的修復(fù)。

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R617;R683

A

2095-140X(2014)04-0107-04

10．3969/j．issn．2095-140X．2014．04．031

國(guó)家863主題項(xiàng)目(2012AA020502);國(guó)家973主題項(xiàng)目(2012CB518106);全軍十二五重點(diǎn)項(xiàng)目(BWS11J025)

100853北京，解放軍總醫(yī)院骨科研究所

彭江，E-mail:pengjiang301@126．com

2013-12-20 修回時(shí)間:2014-01-15)