真皮成纤维细胞多向分化潜能的研究进展

马晓飞 朱 明 综述 张 艳 柴 岗 审校

真皮成纤维细胞多向分化潜能的研究进展

马晓飞 朱 明 综述 张 艳 柴 岗 审校

真皮成纤维细胞起源于胚胎中胚层间质细胞，是构成体内疏松结缔组织的主要细胞成分。以往认为，真皮成纤维细胞在机体发育过程中是分化完全的终末细胞，不具备多向分化潜能，只能作为真皮组织的种子细胞。近年来研究发现，真皮成纤维细胞能够表达间充质干细胞相关标志物，具有多向分化潜能，在特定条件下能够向骨、脂肪、软骨、肌腱、神经以及胰岛等多胚层组织器官分化，可能成为组织器官构建的种子细胞来源。现将真皮成纤维细胞的多向分化潜能研究现状进行综述。

真皮成纤维细胞 多向分化潜能 干细胞

真皮成纤维细胞（Dermal Fibroblasts，DFs）来源于胚胎中胚层间质细胞，是人体内分布范围最广，参与组织修复最重要的一类细胞[1]。与其他中胚层来源的细胞不同，真皮成纤维细胞保留了中胚层细胞增殖力强、体外培养不易老化、多次传代仍能保持强大增殖力的特性，同时取材与培养十分简单，被视为人体内数量最大的“种子细胞库”[2]。长期以来，DFs被认为是分化完全的终末细胞，不具备向其他细胞系分化的潜能。然而，近年的研究发现，DFs能够表达间充质干细胞相关标志物CD71、CD73/SH3-SH4、CD90/Thy-1、CD105/SH2和CD16/ALCAM，在特定条件下能够表达骨蛋白、软骨基质、胞内脂滴以及神经胶质等相关特异性标志物，其细胞基质能够长时间维持诱导后的细胞表型，具备向三胚层组织细胞分化的潜能[3-5]，有望真正成为组织器官构建的种子细胞来源。

1 DFs 成骨分化潜能评价

骨折愈合过程是多种细胞、生长因子和细胞外基质之间相互作用的复杂动态过程，分为炎症反应阶段、纤维骨痂阶段、原始骨痂阶段和继发性骨痂阶段。成纤维细胞参与了骨折愈合的全部过程，并起着重要作用[6]。在炎症反应阶段，成纤维细胞随新生血管长入骨折血肿中，并在血肿周围大量聚集。随后成纤维细胞进入活化阶段，电镜显示细胞出现大量粗面内质网、游离核酸以及粗大的高尔基体，证明此阶段成纤维细胞具有蛋白合成和分泌能力，能够分泌胶原及胞外基质等多种修复成分，形成纤维性骨痂及骨外膜。在骨性骨痂阶段，除成骨细胞之外，活化的成纤维细胞还参与细胞间质成分的钙化。成纤维细胞的线粒体内存在大量钙离子，能够以基质小泡的形式将钙离子分泌至胞外，在胶原纤维之间形成钙结节，最终融合成骨组织，证明了成纤维细胞在成骨过程中的重要作用[7]。Lin等[8]研究发现，骨折后局部肉芽组织及新生骨小梁中的成纤维细胞，与各种成骨相关细胞同样地表达BMP，表明机体创伤后引发BMP内源性调控，使得成纤维细胞和间充质细胞向成骨细胞诱导分化，进而参与成骨修复过程。

同时，在体外环境下，真皮成纤维细胞同样具有成骨潜能。在特定蛋白和诱导剂的影响下，真皮成纤维细胞形态杂乱，交织形成多层结构，胞内线粒体钙颗粒增多，能够分泌ALP、骨钙素及BMP等，且成骨过程中胶原基质合成分泌和钙盐沉积与体内基本一致，均能形成骨组织。Hee等[9]提取真皮成纤维细胞，加入特定的内源性骨形态发生蛋白及维生素D等诱导剂，发现真皮成纤维细胞向成骨方向分化，细胞形态多变，基质分泌能力增强，染色显示钙基质沉积，并表达ALP和骨钙素等成骨细胞特异性标志物，表明真皮成纤维细胞具有成骨潜能，在特定环境下能够形成骨组织。Hee等[10]又根据表面抗原对新生儿真皮成纤维细胞进行筛选，同时分离骨髓间充质细胞作为对照，结果显示真皮成纤维细胞与骨髓间充质细胞对诱导剂的反应不同，真皮成纤维细胞具有更大的成骨诱导潜能。

2 DFs成脂分化潜能评价

真皮成纤维细胞与脂肪干细胞同起源于中胚层间质细胞。脂肪干细胞作为成体干细胞，已被证明具有成骨、成脂、成软骨及神经等多向分化潜能，成为多种组织器官构建的种子细胞[11]。近年来的研究发现，真皮成纤维细胞具有多向分化潜能，能够表达与脂肪干细胞相近的表面标志CD29、CD44、CD71、CD73/SH3-SH4、CD90/Thy-1、CD105/SH2、CD166/ALCAM，并在特定诱导条件下向脂肪干细胞分化，形成脂肪组织[12]。Crigler等[13]分离小鼠真皮成纤维细胞进行各系诱导分化，结果发现部分鼠成纤维细胞能够在诱导条件下向脂肪组织分化，形成成熟的脂肪。改变诱导条件，鼠成纤维细胞也能向骨、软骨等组织分化。Huang等[14]发现，人真皮组织内存在一种类似于干细胞的真皮间充质细胞，表达与成体干细胞类似的表面标志物CD90、CD105、CD166、CD73、SH3和SH4，在特定条件下能够向脂肪细胞、骨细胞和神经细胞等分化，形成各类组织，具有多向分化潜能。同时，成纤维细胞生长因子同样能够提高脂肪干细胞的多向分化潜能，促进其向软骨、骨、神经等组织的分化[15]。Junker等[16]分离DFs后进行成脂、成骨和成软骨诱导，DFs显示了向脂肪细胞、骨细胞、软骨细胞分化的潜能；同时对DFs进行单细胞克隆培养，单克隆体系显示出同克隆前类似的分化潜能，并表达干细胞相关标志物，进一步确定了DFs成为组织工程种子细胞的可能性。

3 DFs成软骨潜能评价

软骨组织构建最重要的是获得来源稳定、数量可观、增殖力强、不易老化的种子细胞。真皮成纤维细胞与软骨细胞均起源于中胚层，与软骨细胞不同的是，真皮成纤维细胞保持了高度的增殖力，多次传代仍能维持表型稳定。同时，一系列研究结果表明，真皮成纤维细胞具有干细胞特性，在特定诱导条件下能够向包括软骨在内的多种组织细胞分化，是一类潜在的软骨种子细胞。通过分析DFs的表型特征及分化潜能，并利用骨形态发生蛋白将DFs进行成软骨表型诱导，结果发现诱导后的DFs可向软骨分化，Ⅱ型胶原及软骨基质检测均呈阳性。Yin等[17]发现，DFs在CDMP1的诱导下能够向软骨细胞表型分化，表达Ⅱ型胶原及agggrecan等软骨特异性标志物，细胞的诱导分化率达到70%以上。French等[18]首先利用IGF-I预处理DFs，然后利用蛋白聚糖诱导体系对DFs进行成软骨定向诱导，诱导1周后对其进行检测，发现DFs特殊染色显示其分泌软骨基质；RT-PCR检测出Ⅱ型胶原，表明DFs在特定条件下可向软骨诱导分化。Zhao等[19]探讨了真皮成纤维细胞的体内构建软骨潜能，将犬真皮成纤维细胞诱导后植入关节软骨内，结果显示诱导后的犬真皮成纤维细胞具有软骨分化潜能，能够在体内修复半月板缺损。Hiramatsu等[20]将c-Myc、Klf4和sox9基因转入真皮成纤维细胞，同时在特定诱导环境下培养，发现真皮成纤维细胞能够向软骨细胞表型分化，并维持表型稳定。

4 DFs成肌腱分化潜能评价

与大多数肌腱缺损修复的临床替代物相比，组织工程肌腱具有良好的生物活性和生物相容性。而真皮成纤维细胞与肌腱细胞的高度相似性和同源性也使得真皮成纤维细胞成为肌腱构建的种子细胞之一。Dvoránková等[21]采用凝集素诱导体系定向诱导DFs，诱导后DFs向肌成纤维细胞分化，并分泌大量胞外基质，实验组创伤愈合优于对照组，显示了DFs的诱导分化潜能。Ieda等[22]利用iPS转染体系将Gata4、Mef2c和Tbx5等3个基因片段转入DFs诱导培养，转染后的DFs迅速高效地向心肌成纤维细胞分化，检测发现转染后的DFs具有类似心肌的基因谱，表达心肌表面标志物并能够自发进行收缩，表明了体外环境下DFs的成肌潜能。在体内环境下，Liu等[23]利用真皮成纤维细胞对猪的肌腱缺损进行修复，与单纯支架组相比，真皮成纤维细胞6周后形成与正常肌腱相近的组织，而单纯支架组材料降解萎缩，无法形成组织，证明了真皮成纤维细胞具有向肌腱细胞分化的潜能。Deng等[24]进一步在肌腱构建中施加力学刺激，结果表明经过力学刺激后的新生肌腱胶原更加成熟，排列更加整齐，机械抗拉力更强，使得真皮成纤维细胞构建的肌腱在大体观、组织学、生物力学等方面均类似于正常肌腱，表明真皮成纤维细胞能够构建较为成熟的肌腱组织。

5 DFs成神经诱导分化潜能评价

神经系统紊乱表现为神经的脱髓鞘改变，治愈神经脱髓鞘最有效的是切除病变神经，进行少突胶质细胞的移植。当前单纯进行少突胶质细胞的移植还存在一定难度。神经组织的缺损主要依靠神经干细胞的分化和修复来完成。文献表明，胚胎干细胞及成体干细胞在特定条件下可向神经细胞分化，并参与神经组织的修复，同时近期研究出现的iPS细胞为神经损伤的修复提供了一条新途径。真皮成纤维细胞向神经细胞诱导较为复杂，大量研究表明，iPS细胞具有多向分化潜能，能够向神经细胞诱导分化，但在诱导体系、表型维持及致瘤性等方面还存在一系列问题[22-24]。Ogawa等[25]采用干细胞诱导方案，优化诱导条件，诱导iPS细胞向少突胶质细胞分化，结果显示尽管诱导效率较低，仅有部分iPS细胞向少突胶质细胞分化，但明确了真皮成纤维细胞的神经分化潜能。Lee等[26]借鉴iPS转染途径，将神经相关因子转入DFs，并采用神经细胞培养体系进行培养，发现转染细胞表达神经相关蛋白及神经胶质细胞表面标志，并具备神经钠通道，表明转染后的DFs向神经样细胞分化。

6 DFs成胰岛分化潜能评价

近年来，iPS的研究表明，DFs可在转染基因的条件下向包括胰腺在内的多组织器官分化，但因其致瘤性限制了进一步发展。Guo等[27]发现，在特定诱导体系下，DFs能够向胰岛细胞分化，表达胰岛细胞表面标志，并能够分泌胰岛素，表明DFs的胰岛分化潜能。Tateishi等[28]将DFs分离进行单克隆培养，发现单克隆培养的 DFs仍具有胰岛分化潜能，能够形成分泌胰岛素的细胞克隆体，具有相关胰岛基因片段并表达胰岛细胞标志物。Bi等[29]的研究结果证实了DFs单克隆体系下的成胰岛潜能，并证明体内环境下，诱导后的DFs能够分泌胰岛素改善高血糖动物模型的血糖情况，进一步证明了DFs的成胰岛能力。

近年来，对真皮成纤维细胞，包括iPS细胞的深入研究，发现真皮成纤维细胞同样具有干细胞的特性，能够向骨、软骨、脂肪、肌腱、神经、胰岛、心肌等多种组织诱导分化，具有多向分化潜能，是一类潜在的种子细胞。但是，真皮成纤维细胞作为组织工程种子细胞进行组织构建还存在许多问题，例如iPS细胞的转化效率低下、致瘤性、转化机制复杂、信号传导不明确，以及构建的组织器官不成熟等[30]，这些都将制约真皮成纤维的应用，需要进行更为深入的研究探索。

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Research Progress on Multipotential of Dermal Fibroblast

MA Xiaofei,ZHU Ming,ZHANG Yan,CHAI Gang.

Department of Plastic and Reconstructive Surgery,Shanghai Ninth People′s Hospital,Shanghai JiaoTong University School of Medicine,Shanghai 200011,China.Corresponding author:ZHANG Yan(E-mail:zycg81@yahoo.com.cn).

【Summary】DFs derived from mesenchymal cells of mesodermal embryo are the main cells of loose connective tissue.DFs had been considered as full differentiated terminal cells without multipotential and had been used as seed cells just for skin tissue.Recently DFs have been proved to express the markers of mesenchymal stem cells and differentiate into osseous tissue,fat,cartilage,tendon,nerve,pancreatic islet and so on under certain condition.DFs could be used as seed cells for tissue engineering.Here,the multipotential of DFs was reviewed.

Dermal Fibroblast;Multipotential;Stem Cell

Q813.1+1

B

1673－0364（2011）06－0347－03

2011年8月21日；

2011年9月28日）

10.3969/j.issn.1673-0364.2011.06.015

200011 上海市 上海交通大学医学院附属第九人民医院整复外科。

张艳（E－mail：zycg81@yahoo.com.cn）。