間充質(zhì)干細胞歸巢在骨損傷修復中的作用及其影響因素

王 鑫，許文靜，彭 江，盧世璧

間充質(zhì)干細胞歸巢在骨損傷修復中的作用及其影響因素

王 鑫，許文靜，彭 江，盧世璧

間質(zhì)干細胞;骨折愈合;歸巢

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

1 間充質(zhì)干細胞的來源及其在骨損傷修復中的歸巢過程

1.1 間充質(zhì)干細胞的來源 間充質(zhì)干細胞在體內(nèi)的來源出自于體內(nèi)的間充質(zhì)干細胞生態(tài)位。生態(tài)位的概念來由Scadden［1］提出，其意義為促進內(nèi)環(huán)境平衡及維持間充質(zhì)干細胞的數(shù)量保持。當體內(nèi)某處發(fā)生損傷時，生態(tài)位就會動員起來，不斷地產(chǎn)生并輸出干細胞歸巢至損傷部位參與修復。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的間充質(zhì)干細胞的重要來源［2］。

1.2 間充質(zhì)干細胞歸巢的過程 作為復合性材料，骨組織的形成和生長是一個復雜的過程，包括了分子、細胞、生物化學代謝變化。骨組織是一個致密的結(jié)構(gòu)，其壓力及生物學環(huán)境與其結(jié)構(gòu)和功能息息相關［3］。骨折后的立時反應是血腫形成和炎性反應。血腫的形成是為了防止進一步出血和因子的丟失。炎性反應為骨折端提供了初始穩(wěn)定性，炎癥的級聯(lián)反應有助于骨折愈合。血腫形成后前體細胞聚集形成新的血管、纖維及支持細胞，骨折端形成肉芽組織。干細胞通過調(diào)節(jié)炎性因子的表達，在損傷過程中限制了損傷的纖維化進程，提高了再生速度。在此時骨折處的環(huán)境相當復雜:血管被破壞導致骨折早期骨折端的局部低氧環(huán)境，使包括間充質(zhì)干細胞和骨細胞在內(nèi)的多種細胞產(chǎn)生了有益的調(diào)節(jié)性刺激［4-5］。新骨也被公認為是在低氧分壓下生成的［6］。低氧組織表達基因增強了細胞在低氧條件下的生存能力并重建脈管系統(tǒng)增強供氧。另外，低氧誘導了趨化因子的產(chǎn)生，從而促進細胞遷移、增殖，新骨形成。血小板、炎性細胞和巨噬細胞到達損傷處分泌細胞因子和生長因子，包括白介素6(IL-6)、血小板源生長因子(PDGF)、血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)和骨形態(tài)形成蛋白(BMP)［7］，這個分子反應導致了間充質(zhì)干細胞的遷移，并分化為軟骨細胞及骨細胞以完成修復。骨折處的微環(huán)境及歸巢的干細胞的數(shù)量對骨折的修復都起到很重要的作用。

2 影響間充質(zhì)干細胞歸巢的內(nèi)部因素

在骨折過程中，體循環(huán)中的前體細胞被招募至損傷處是一個正常反應的生化過程［8］，這個間充質(zhì)干細胞遷移至骨折處的機制目前還不是十分清楚。細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引誘物。干細胞表面也表達許多趨化因子的受體，趨化因子介導的干細胞歸巢的體內(nèi)體外研究也都有報道［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)細胞衍生因子1(SDF-1)、轉(zhuǎn)化生長因子β(TGF-β)等。研究最多的因子之一是SDF-1/B細胞刺激因子前體B/C-X-C配體12(CXCL-12)。SDF-1被認為是CXCR4陽性的干細胞和祖細胞的主調(diào)控器。在缺血性損傷處，表達的SDF-1因子會調(diào)控細胞化分成成熟的等修復細胞［8，10］。Toupadakis 等［11］研究發(fā)現(xiàn)SDF-1/CXC receptor 4(CXCR4)信號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)干細胞表面表達，但其仍是間充質(zhì)干細胞，尤其是骨髓間充質(zhì)干細胞遷移的一個關鍵因子［12-13］。因此，提高骨髓間充質(zhì)干細胞的 CXCR4的配體可以提高干細胞的增殖和遷移［14］。SDF-1與BMP2其他細胞因子間也存在協(xié)同作用。提高了骨折修復的效率［12］。TGF-β存在于正常組織中，也富含于動物的骨組織及血小板內(nèi)的轉(zhuǎn)化細胞內(nèi)。TGF-β由血小板在骨折開始的炎性反應期釋放，很可能與骨痂的初始形成相關。TGF-β對骨髓源性的間充質(zhì)干細胞有很強的趨化性，其促進骨髓間充質(zhì)干細胞的增殖，促進成骨細胞前體、軟骨細胞及成骨細胞的生成，并誘導膠原、骨橋蛋白、骨鈣蛋白、蛋白聚糖，堿性磷酸酶，并可提高其他細胞外蛋白［15］，其能提高BMP信號，從而增強成骨并抑制破骨細胞的活性，促細胞凋亡。成軟骨及成骨細胞有許多的受體［16］，TGF-β在骨折愈合的每個階段都發(fā)揮著作用。盡管TGF-β可以促進細胞增殖，但其成骨誘導作用卻有限。反復或大劑量藥物治療可獲得明顯的誘導效果，但其很難在臨床推廣，并有可能有很多的不良反應。在骨折愈合過程中，成纖維生長因子(FGF)由單核細胞、間充質(zhì)細胞、巨噬細胞、成骨細胞和軟骨細胞合成，其可以調(diào)節(jié)細胞遷移、分化和增殖并參與損傷的修復和血管化［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)細胞有絲分裂中起到重要作用。外源性bFGF的應用能加快骨修復，并刺激骨痂重塑以重構(gòu)生物力學屬性［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胞的增殖并形成更多的軟骨，但其不能提高軟骨細胞的成熟或加速軟骨向骨的轉(zhuǎn)化［19］。NEL樣分子1(NELL-1)是一個控制成骨分化的顱骨早閉相關分子［20］。NELL-1在許多骨再生相關的動物模型上都表現(xiàn)出了很強的骨誘導能力［21-23］。Xue等［24］人運用腺病毒轉(zhuǎn)染 NELL-1 進行體內(nèi)實驗探討了其對股骨牽張成骨的有效作用。骨鈣蛋白和骨橋蛋白的表達均明顯增高。PDGF對炎性因子有很強的趨化作用，對間充質(zhì)干細胞有很強的刺激效應，能促進成骨細胞增殖和遷移［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，可加速骨缺損修復，但PDGF是否可應用于臨床骨折的治療尚不確定。此外，胰島素生長因子作用于間充質(zhì)干細胞能通過軟骨內(nèi)成骨從而促進骨折愈合［26］，甲狀旁腺素在治療骨缺損時可能增強了間充質(zhì)干細胞的增殖，降低了其衰和凋亡［27］。

2.2 負向調(diào)節(jié)的因子 并非所有的因子都促進間充質(zhì)干細胞遷移。Ode等［28］研究發(fā)現(xiàn)，間充質(zhì)干細胞的歸巢在CD73/CD29的共同細胞機械刺激控制下，CD73和CD29共同協(xié)調(diào)機械刺激從而降低了間充質(zhì)干細胞的遷移［28］。骨折愈合不是一個孤立的過程，而是許多因子協(xié)同作用于干細胞的歸巢，從而促進其分化，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有劑量和時間依賴性，在促進間充質(zhì)干細胞成骨分化中有很強的協(xié)同效應，使用每一種因子很低的濃度就可獲得很好的協(xié)同效應［29］。在合適的時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)干細胞歸巢的外部因素

在骨再生的過程中，除了間充質(zhì)干細胞歸巢的內(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械載荷對間充質(zhì)干細胞的細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 機械刺激 研究表明，骨折后系統(tǒng)注射干細胞，并定時定量地予以軸向加載位移機械刺激后會促進干細胞的增殖分化，明顯增加了骨痂的形成及機械屬性，促進了骨的生成及力學屬性［30］。

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

4 展望

間充質(zhì)干細胞歸巢促進骨修復，包括細胞招募、遷移、分化和增殖。臨床常用骨髓提取物在體外擴增后獲得的骨髓間充質(zhì)干細胞移植治療骨折患者，明顯促進了骨折愈合，但其機制并未完全清楚。作為修復骨缺損的理想干細胞來源應滿足獲取容易且盡可能無創(chuàng)，獲取的細胞在體外培養(yǎng)能夠迅速增殖以達到移植的條件，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)干細胞的組織修復能力。間充質(zhì)干細胞的效果是明顯的，但要將其用于臨床尚存在一些問題，如應在何時、通過何種途徑、如何應用相關細胞因子及其有利因素來更好地刺激間充質(zhì)干細胞發(fā)揮正面作用，轉(zhuǎn)基因?qū)τ陂g充質(zhì)干細胞特性的改變，同種異體間充質(zhì)干細胞移植后對宿主T細胞功能的壓制反而有利于腫瘤的生長等［36-37］?？傮w來說，我們?nèi)孕枰剿饕环N簡單、有效的方法來提高間充質(zhì)干細胞的歸巢，從而促進骨折修復，并進一步促進骨缺損及骨不連的修復。

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A

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

10．3969/j．issn．2095-140X．2014．04．031

國家863主題項目(2012AA020502);國家973主題項目(2012CB518106);全軍十二五重點項目(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 修回時間:2014-01-15)