顏杉鈺，梅宏翔，李娟

口腔疾病研究國家重點實驗室 國家口腔疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心 四川大學(xué)華西口腔醫(yī)院正畸科，四川 成都（610041）

間充質(zhì)干細胞（mesenchymal stem cell，MSCs）具有自我更新與增殖、響應(yīng)趨化信號并遷移至目標(biāo)部位以及響應(yīng)分化信號進行終末分化的能力，在骨形成以及骨損傷修復(fù)過程中發(fā)揮著重要作用［1］，并已廣泛用于干細胞移植、組織工程與免疫治療中，但是由于MSCs歸巢能力較差，其在臨床中的應(yīng)用尚受到局限。研究證實血液循環(huán)中MSCs感知到組織損傷之后，會遷移到損傷部位，并與受損組織處MSCs一同進行組織特異性分化，協(xié)同修復(fù)創(chuàng)傷組織［1］。所以提高MSCs遷移效率將有利于其在再生醫(yī)學(xué)和臨床治療中的應(yīng)用。本文就MSCs遷移與骨代謝的相關(guān)性出發(fā)，探討了骨組織損傷中介導(dǎo)MSCs遷移的具體機制，并對其臨床應(yīng)用前景進行綜述。

1 MSCs遷移能力影響骨代謝

組織受損后，局部損傷組織會釋放信號因子以激活局部和全身的MSCs，導(dǎo)致趨化因子受體表達升高。同時，損傷部位釋放的基質(zhì)細胞衍生因子1（stromal cell-derived factor-1，SDF-1）等趨化因子能與MSCs表面受體結(jié)合，募集MSCs到達損傷部位，參與組織再生過程［2］。目前，體外實驗主要使用遷移實驗（transwell實驗）或劃痕實驗對細胞遷移能力進行評估；體內(nèi)研究則會對目的MSCs進行標(biāo)記，局部注射或靜脈注射后24 h進行成像或獲取目的MSCs，評估遷移至特定部位的能力。

MSCs遷移功能異?？赡苁菍?dǎo)致骨代謝相關(guān)疾病的直接原因，其中包括遷移部位及遷移速度異常。MSCs的遷移部位主要受到破骨細胞分泌的生長因子（transforming growth factor，TGF）-β1調(diào)控。高表達的TGF-β1將導(dǎo)致成骨分化活性增加以及異位成骨，并成為進行性骨干發(fā)育不良（camuratiengelmann，CED）的重要誘導(dǎo)因素［3］。而骨質(zhì)疏松患者的MSCs遷移速度下降會導(dǎo)致骨折愈合能力下降，這可能與MSCs的整聯(lián)蛋白表達降低有關(guān)，導(dǎo)致對骨形態(tài)發(fā)生蛋白（bone morphogenetic protein，BMP）反應(yīng)性下降，下調(diào)MSCs的遷移及成骨分化能力［4］。這些都表明在骨組織生長發(fā)育及損傷部位修復(fù)中，MSCs遷移扮演著重要角色。

2 骨組織損傷部位募集MSCs并促進其成骨分化

在骨組織損傷修復(fù)中，MSCs遷移至損傷組織后，需要分化為成骨細胞才能形成骨基質(zhì)修復(fù)骨損傷。所以參與該過程的MSCs的遷移能力與成骨分化正向相關(guān)，并可能與兩者共用部分通路有關(guān)。Runt相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子（Runt-related transcription factor 2，Runx2）是MSCs成骨分化早期的主要轉(zhuǎn)錄因子，其能通過與PI3K-蛋白激酶B（protein kinase B，Akt）信號通路相互作用，促進細胞遷移和成骨分化［5］。而作為MSCs成骨分化中重要的通路，經(jīng)典Wnt和非經(jīng)典Wnt通路在影響成骨分化的同時，也能調(diào)控MSCs遷移［6］。

對骨組織損傷的即刻反應(yīng)是血腫的形成和炎癥，在炎癥階段大量聚集的免疫細胞能將MSCs募集到骨折部位。巨噬細胞作為骨折修復(fù)中免疫反應(yīng)不可缺少的部分，幾乎參與了整個修復(fù)階段。巨噬細胞的條件培養(yǎng)基中含有大量分泌的炎癥因子和生長因子，能夠促進MSCs的遷移和成骨分化［7］。而骨折愈合前期巨噬細胞的耗竭會使新生骨骼的密度和強度降低一半［8］。同時，骨折部位的炎癥反應(yīng)會使巨噬細胞M0分化為M1和M2亞群，M1巨噬細胞即經(jīng)典巨噬細胞參與初始急性炎癥階段，而M2巨噬細胞能夠分泌生長因子以及CCL2、CXCL8和SDF-1等趨化因子，募集MSCs至骨折部位參與修復(fù)過程［9］。同時，下調(diào)M1會抑制MSCs對骨折部位的募集以及成骨分化的啟動過程，從而延緩骨折修復(fù)，降低新生骨密度［10］。

損傷組織初始的炎癥反應(yīng)中會釋放多種趨化信號分子：比如SDF-1，血小板源生長因子（plateletderived growth factor，PDGF）等炎癥因子或生長因子；啟動有利于愈合的信號級聯(lián)反應(yīng)，比如Smads通路，募集MSCs到損傷部位并參與修復(fù)過程［9］。其中SDF-1是最為重要的趨化因子，介導(dǎo)MSCs遷移到損傷部位。SDF-1在骨修復(fù)的早期階段與MSCs上的CXCR4結(jié)合，促進細胞遷移和新骨形成［11］。CXCR4高表達的MSCs對SDF-1的趨化作用增強，增強MSCs對骨髓的歸巢能力［12］。

損傷組織血小板能分泌PDGF參與MSCs募集過程，PDGF-AA能反饋性下調(diào)PDGFα，促進BMPRIII復(fù)合物形成，從而激活BMP-Smad1/5/8信號通路，分別通過Twist1/Atf4軸和Runx2/Osx軸促進MSCs遷移和成骨分化［13］。

TNF-α能夠通過介導(dǎo)絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinases，MAPKs）p38磷酸化，從而上調(diào)富含亮氨酸的α-2-糖蛋白1（leucinerich-alpha-2-glycoprotein 1，LRG1），促進MSCs遷移以及新生血管形成，并有利于隨后的骨形成［14］。而TGF-β1會與TβRI結(jié)合，使Smad2/3磷酸化并與Smad4結(jié)合，改變MSCs的遷移能力。在敲除Tgfb1基因的小鼠中，MSCs向骨小梁表面遷移能力下降，成骨細胞數(shù)目變少，骨形成能力降低［3］。

一些研究通過不同的方式改變細胞的遷移能力，證實骨組織損傷修復(fù)能力與MSCs遷移的相關(guān)性。在牽張成骨模型中，切除交感神經(jīng)的小鼠去甲腎上腺素（norepinephrine，NE）和β3-腎上腺素能受體（β3-adrenergic receptor，ADRB3）表達下降，MSCs更多地募集在骨損傷部分。而體外實驗證明NE能與MSCs表面的ADRB3結(jié)合，從而下調(diào)遷移相關(guān)基因基質(zhì)金屬蛋白酶（matrix metalloproteinase，MMP）-2，并上調(diào)抗遷移基因TIMP-3，抑制SDF-1誘導(dǎo)的遷移、成骨分化以及礦化結(jié)節(jié)的形成［15］。增加MSCs的CXCR4表達后，細胞對SDF-1的趨化能力及歸巢到骨髓的能力增強，同時，SDF-1/CXCR4軸的激活能夠在骨修復(fù)早期將MSCs募集到損傷部位，從而促進骨修復(fù)［16］。

綜上，骨組織損傷初始炎癥階段，趨化信號分子會促進MSCs募集到損傷部位并進一步成骨分化，修復(fù)骨組織損傷。MSCs遷移能力上調(diào)，會激活其成骨分化能力，有利于骨損傷修復(fù)。

3 MSCs募集過程中細胞外基質(zhì)硬度改變，為骨損傷修復(fù)提供準(zhǔn)備

骨組織損傷過程中，MSCs會從骨髓或者外周血等部位遷移到損傷部位，其所處基質(zhì)硬度水平會發(fā)生改變。細胞內(nèi)肌動蛋白和肌球蛋白絲的交叉橋聯(lián)所產(chǎn)生的收縮力及表面黏著斑對基質(zhì)的粘附力會改變細胞內(nèi)信號傳導(dǎo)，從而活化MSCs，上調(diào)細胞遷移和成骨分化能力，促進骨損傷修復(fù)［17］。

MSCs處于天然組織硬度相匹配的基質(zhì)上培養(yǎng)時會呈現(xiàn)出譜系特異性分化，比如在硬基質(zhì)中MSCs成骨分化能力增強，在軟基質(zhì)中MSCs更傾向于成脂分化［18］。同時，MSCs具有趨硬性（durotaxis），即MSCs向更硬的區(qū)域遷移，這可能是由于MSCs的單個黏著斑能夠向細胞外基質(zhì)施加波動性的拉力來感知周圍的硬度，并通過黏著斑激酶（focal adhesion kinase，F(xiàn)AK）/磷酸化樁蛋白/黏著斑蛋白來決定細胞反應(yīng)［19］。MSCs用于感知硬度的整合素α4的過表達也會增強促進其對骨髓的歸巢和成骨分化能力［20］。Lin等［21］將MSCs培養(yǎng)在基質(zhì)硬度為1～20 kPa的水凝膠中，發(fā)現(xiàn)高基質(zhì)硬度下，細胞Lamin A/C下調(diào)使得核硬度降低，MMP等蛋白酶分泌增加，從而上調(diào)硬基質(zhì)中的MSCs遷移速率。同時，與整聯(lián)蛋白相連的激酶（integrin-linked kinase，ILK）缺乏會導(dǎo)致細胞骨架以及BMP/Smad和Wnt/β-catenin信號轉(zhuǎn)導(dǎo)受損，細胞遷移能力和成骨分化受到影響，最終抑制小鼠體內(nèi)的骨發(fā)育，降低骨量［22］。然而，整合素的表達并不總是與遷移呈正相關(guān)，因為隨著硬度的增加，黏附依賴性遷移會轉(zhuǎn)變?yōu)榉丘じ揭蕾囆赃w移［21］。下調(diào)ROCK信號通路能抑制肌動蛋白應(yīng)力纖維和黏著斑的形成，反而會促進細胞突起形成，增強細胞的遷移和成骨分化能力，并促進MSCs募集及骨形成［23］。

以上研究表明MSCs向骨損傷部位的遷移過程中存在著較為復(fù)雜的調(diào)控機制，為MSCs在骨損傷部位進一步發(fā)揮修復(fù)功能提供基礎(chǔ)。

4 MSCs遷移在骨相關(guān)疾病治療中的應(yīng)用

4.1 骨質(zhì)疏松癥

對MSCs修飾后進行局部或全身注射利于骨質(zhì)疏松癥的恢復(fù)。CXCR4高表達的MSCs在局部骨髓注射以及尾靜脈注射后，在骨髓中存留率及歸巢能力更高，同時靜脈注射進入骨質(zhì)疏松小鼠后，可完全恢復(fù)骨量并部分恢復(fù)骨形成［24］。而高表達CXCR4和核心結(jié)合因子α亞基1（core-binding factor subunit alpha-1，Cbfa-1）的MSCs能完全恢復(fù)骨質(zhì)疏松小鼠的骨骼強度和硬度［24］。另一項研究發(fā)現(xiàn)高表達CXCR4和NF-κB受體激活劑（receptor activator of NF-kappa B，RANK）的MSCs能夠促進MSCs向骨骼的歸巢，改善卵巢切除小鼠的骨礦物質(zhì)密度［12］。Lim等［11］對Icaritin在骨質(zhì)疏松中的作用進行了一系列探究，發(fā)現(xiàn)其能夠通過激活信號轉(zhuǎn)導(dǎo)激活因子轉(zhuǎn)錄因子3（signal transduction activator transcription factor 3，STAT-3）的磷酸化會上調(diào)CXCR4，從而促進人MSCs向基質(zhì)細胞衍生因子趨化及其成骨分化能力。甲狀旁腺素作為治療骨質(zhì)疏松癥的骨合成代謝藥物，能進一步促進MSCs募集并歸巢至骨折部位，促進成骨及血管生成，有利于骨質(zhì)疏松小鼠骨折部位的恢復(fù)［25-26］。這些藥物可能進一步成為骨質(zhì)疏松癥的治療藥物或佐劑，有利于骨質(zhì)疏松患者骨折預(yù)后。

4.2 骨質(zhì)缺損

目前骨質(zhì)缺損研究主要集中于骨組織工程。對支架材料進行表面處理能促進MSCs募集并黏附在支架，同時能促進成骨分化和礦化物質(zhì)的形成。無機底物對MSCs的遷移及分化具有重要作用。He等［27］發(fā)現(xiàn)對膠原支架進行羥基磷灰石表面處理將促進MSCs形成發(fā)育良好的肌動蛋白絲和黏著斑，降低N-鈣黏蛋白和α-連環(huán)蛋白水平，提高了MSCs的遷移能力，進而通過Wnt-1/β-Catenin通路上調(diào)成骨分化水平。

在支架上荷載藥物能夠進一步增強支架材料誘導(dǎo)的MSCs募集，進一步促進骨形成。納米粒子修飾的殼聚糖-瓊脂糖-明膠支架能負載SDF-1和BMP-2并緩慢釋放，促進MSCs向支架遷移和成骨分化［28］。對明膠/納米羥基磷灰石（G/nHAp）支架上荷載大麻二酚能促進MSCs遷移和成骨分化，促進骨缺損修復(fù)［29］。在外泌體/β-TCP復(fù)合支架中，外泌體能夠被內(nèi)源性MSCs內(nèi)化，增強細胞遷移及成骨分化能力，同時促進體內(nèi)骨缺損恢復(fù)［30］。

4.3 骨關(guān)節(jié)炎

在膠原誘導(dǎo)的鼠關(guān)節(jié)炎模型以及類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎患者發(fā)炎關(guān)節(jié)中有MSCs浸潤［31］。類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎患者骨髓中存在著過量的凋亡細胞，MSCs對凋亡細胞的吞噬能促進其成骨分化并表達趨化分子受體CXCR4/5以及黏附分子ICAM-1，促使其向發(fā)炎的關(guān)節(jié)遷移，其分泌的IL-6等炎癥因子，還能激活CD4+T細胞并促使其向Th17細胞分化［32］。這些研究為干細胞療法治療骨關(guān)節(jié)炎提供了理論基礎(chǔ)。

5 展望

在MSCs參與損傷組織修復(fù)過程中，損傷部位的細胞募集對整個修復(fù)過程十分重要。而干細胞療法現(xiàn)在面臨著MSCs遷移能力不足的問題，亟需進一步研究。現(xiàn)在的研究主要集中于信號分子對MSCs遷移及成骨分化能力的影響，真正探究不同遷移速率MSCs在成骨分化及骨損傷修復(fù)中的功能差異較少，需要進一步的研究加以證實。

【Author contributions】Yan SY performed the literature review and article drafting；Mei HX performed the literature review and article revision；Li Jdid the direction guidance and article revision.