间充质干细胞归巢在骨损伤修复中的作用及其影响因素

王 鑫，许文静，彭 江，卢世璧

间充质干细胞归巢在骨损伤修复中的作用及其影响因素

王 鑫，许文静，彭 江，卢世璧

间质干细胞;骨折愈合;归巢

间充质干细胞已在干细胞移植、组织工程及免疫治疗等领域广泛应用。其在动物模型中已证实可迁移到损伤的部位，但其潜在的机制还不是十分清楚。趋化分子受体、补体及黏附分子在白细胞向特异性组织归巢中起重要作用，并参与了造血前体细胞的运输。间充质干细胞的迁移很可能有相似之处。本文对间充质干细胞的来源、其归巢促骨缺损修复作用的内外因进行综述。

1 间充质干细胞的来源及其在骨损伤修复中的归巢过程

1.1 间充质干细胞的来源 间充质干细胞在体内的来源出自于体内的间充质干细胞生态位。生态位的概念来由Scadden［1］提出，其意义为促进内环境平衡及维持间充质干细胞的数量保持。当体内某处发生损伤时，生态位就会动员起来，不断地产生并输出干细胞归巢至损伤部位参与修复。生态位位于血管壁附近、松质骨的骨内膜表面、纤维内等位置，如骨髓、骨内膜、脂肪、滑膜、脐带血及牙组织等。其中骨髓仍然是多年来用于骨缺损修复的间充质干细胞的重要来源［2］。

1.2 间充质干细胞归巢的过程 作为复合性材料，骨组织的形成和生长是一个复杂的过程，包括了分子、细胞、生物化学代谢变化。骨组织是一个致密的结构，其压力及生物学环境与其结构和功能息息相关［3］。骨折后的立时反应是血肿形成和炎性反应。血肿的形成是为了防止进一步出血和因子的丢失。炎性反应为骨折端提供了初始稳定性，炎症的级联反应有助于骨折愈合。血肿形成后前体细胞聚集形成新的血管、纤维及支持细胞，骨折端形成肉芽组织。干细胞通过调节炎性因子的表达，在损伤过程中限制了损伤的纤维化进程，提高了再生速度。在此时骨折处的环境相当复杂:血管被破坏导致骨折早期骨折端的局部低氧环境，使包括间充质干细胞和骨细胞在内的多种细胞产生了有益的调节性刺激［4-5］。新骨也被公认为是在低氧分压下生成的［6］。低氧组织表达基因增强了细胞在低氧条件下的生存能力并重建脉管系统增强供氧。另外，低氧诱导了趋化因子的产生，从而促进细胞迁移、增殖，新骨形成。血小板、炎性细胞和巨噬细胞到达损伤处分泌细胞因子和生长因子，包括白介素6(IL-6)、血小板源生长因子(PDGF)、血管内皮生长因子(VEGF)和骨形态形成蛋白(BMP)［7］，这个分子反应导致了间充质干细胞的迁移，并分化为软骨细胞及骨细胞以完成修复。骨折处的微环境及归巢的干细胞的数量对骨折的修复都起到很重要的作用。

2 影响间充质干细胞归巢的内部因素

在骨折过程中，体循环中的前体细胞被招募至损伤处是一个正常反应的生化过程［8］，这个间充质干细胞迁移至骨折处的机制目前还不是十分清楚。细胞因子和趋化因子很可能在此过程中起到十分重要的作用，其中的很多因子都是化学引诱物。干细胞表面也表达许多趋化因子的受体，趋化因子介导的干细胞归巢的体内体外研究也都有报道［9］。

2.1 正向调节的因子 最主要的趋化因子包括基质细胞衍生因子1(SDF-1)、转化生长因子β(TGF-β)等。研究最多的因子之一是SDF-1/B细胞刺激因子前体B/C-X-C配体12(CXCL-12)。SDF-1被认为是CXCR4阳性的干细胞和祖细胞的主调控器。在缺血性损伤处，表达的SDF-1因子会调控细胞化分成成熟的等修复细胞［8，10］。Toupadakis 等［11］研究发现SDF-1/CXC receptor 4(CXCR4)信号通路在骨折愈合过程中起重要作用。尽管CXCR4仅在一小部分间充质干细胞表面表达，但其仍是间充质干细胞，尤其是骨髓间充质干细胞迁移的一个关键因子［12-13］。因此，提高骨髓间充质干细胞的 CXCR4的配体可以提高干细胞的增殖和迁移［14］。SDF-1与BMP2其他细胞因子间也存在协同作用。提高了骨折修复的效率［12］。TGF-β存在于正常组织中，也富含于动物的骨组织及血小板内的转化细胞内。TGF-β由血小板在骨折开始的炎性反应期释放，很可能与骨痂的初始形成相关。TGF-β对骨髓源性的间充质干细胞有很强的趋化性，其促进骨髓间充质干细胞的增殖，促进成骨细胞前体、软骨细胞及成骨细胞的生成，并诱导胶原、骨桥蛋白、骨钙蛋白、蛋白聚糖，碱性磷酸酶，并可提高其他细胞外蛋白［15］，其能提高BMP信号，从而增强成骨并抑制破骨细胞的活性，促细胞凋亡。成软骨及成骨细胞有许多的受体［16］，TGF-β在骨折愈合的每个阶段都发挥着作用。尽管TGF-β可以促进细胞增殖，但其成骨诱导作用却有限。反复或大剂量药物治疗可获得明显的诱导效果，但其很难在临床推广，并有可能有很多的不良反应。在骨折愈合过程中，成纤维生长因子(FGF)由单核细胞、间充质细胞、巨噬细胞、成骨细胞和软骨细胞合成，其可以调节细胞迁移、分化和增殖并参与损伤的修复和血管化［17］。这一作用是通过与酪氨酸激酶粘合获得的。FGF在骨折愈合早期的血管形成和间质细胞有丝分裂中起到重要作用。外源性bFGF的应用能加快骨修复，并刺激骨痂重塑以重构生物力学属性［18］。FGF能提高新骨数量及矿物含量，此作用是剂量依赖性的，一剂注射即可提高骨痂中软骨形成前体细胞的增殖并形成更多的软骨，但其不能提高软骨细胞的成熟或加速软骨向骨的转化［19］。NEL样分子1(NELL-1)是一个控制成骨分化的颅骨早闭相关分子［20］。NELL-1在许多骨再生相关的动物模型上都表现出了很强的骨诱导能力［21-23］。Xue等［24］人运用腺病毒转染 NELL-1 进行体内实验探讨了其对股骨牵张成骨的有效作用。骨钙蛋白和骨桥蛋白的表达均明显增高。PDGF对炎性因子有很强的趋化作用，对间充质干细胞有很强的刺激效应，能促进成骨细胞增殖和迁移［25］。在骨折愈合的早中期，PDGF提高了间充质干细胞在软骨和骨形成的发育过程。PDGF与BMP也具有协同效应，可加速骨缺损修复，但PDGF是否可应用于临床骨折的治疗尚不确定。此外，胰岛素生长因子作用于间充质干细胞能通过软骨内成骨从而促进骨折愈合［26］，甲状旁腺素在治疗骨缺损时可能增强了间充质干细胞的增殖，降低了其衰和凋亡［27］。

2.2 负向调节的因子 并非所有的因子都促进间充质干细胞迁移。Ode等［28］研究发现，间充质干细胞的归巢在CD73/CD29的共同细胞机械刺激控制下，CD73和CD29共同协调机械刺激从而降低了间充质干细胞的迁移［28］。骨折愈合不是一个孤立的过程，而是许多因子协同作用于干细胞的归巢，从而促进其分化，更低的剂量就可以有更好的治疗效果。有研究发现，BMP-2、VEGF和bFGF有剂量和时间依赖性，在促进间充质干细胞成骨分化中有很强的协同效应，使用每一种因子很低的浓度就可获得很好的协同效应［29］。在合适的时间使用适宜的因子并减少使用剂量，还需要大量的工作。

3 影响间充质干细胞归巢的外部因素

在骨再生的过程中，除了间充质干细胞归巢的内在环境影响外，骨折处周边物理环境也必须考虑在内。在骨折愈合过程中的机械载荷对间充质干细胞的细胞特性和功能行为也有一定影响，并影响着骨再生与矿化重建。

3.1 机械刺激 研究表明，骨折后系统注射干细胞，并定时定量地予以轴向加载位移机械刺激后会促进干细胞的增殖分化，明显增加了骨痂的形成及机械属性，促进了骨的生成及力学属性［30］。

3.2 光电及超声波刺激 衰变波(DW)和电容耦合(CC)可以降低细胞毒性，增强人间充质干细胞体内的侵袭及增殖能力［31］，从而达到促进骨折愈合的目的。在骨折愈合过程中存在自然电场可以引导细胞迁移到骨折处促进骨折愈合。在电解作用的低氧张力环境下和细胞外的高pH环境中，电刺激的结果就会导致软骨细胞和成骨细胞分化及基质矿化。电刺激加速了骨痂成熟从而加速了骨折愈合［32］。低能级激光辐射能提升间充质干细胞的增殖潜能［33］。激光通过提高软骨细胞和成骨细胞的增殖和再生能力活化骨的形成。随后在骨折端局部形成新的毛细血管，并产生大量的钙盐沉积。因此，在移植间充质干细胞前使用二极管激光器预处理可能会是一个有效促进骨愈合的方法。低强度的脉冲超声波(LIPUS)能增强间充质干细胞与磷酸钙的复合，增加一些骨蛋白的表达及骨矿化含量和密度，提高骨的生物力学属性，其通过提高软骨的形成从而加速软骨化骨的进程［34-35］。

4 展望

间充质干细胞归巢促进骨修复，包括细胞招募、迁移、分化和增殖。临床常用骨髓提取物在体外扩增后获得的骨髓间充质干细胞移植治疗骨折患者，明显促进了骨折愈合，但其机制并未完全清楚。作为修复骨缺损的理想干细胞来源应满足获取容易且尽可能无创，获取的细胞在体外培养能够迅速增殖以达到移植的条件，在宿主体内相容性要好，能良好存活且能发挥增殖分化的作用。趋化因子与其受体间的作用可明确调节间充质干细胞的组织修复能力。间充质干细胞的效果是明显的，但要将其用于临床尚存在一些问题，如应在何时、通过何种途径、如何应用相关细胞因子及其有利因素来更好地刺激间充质干细胞发挥正面作用，转基因对于间充质干细胞特性的改变，同种异体间充质干细胞移植后对宿主T细胞功能的压制反而有利于肿瘤的生长等［36-37］。总体来说，我们仍需要探索一种简单、有效的方法来提高间充质干细胞的归巢，从而促进骨折修复，并进一步促进骨缺损及骨不连的修复。

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A

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

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国家863主题项目(2012AA020502);国家973主题项目(2012CB518106);全军十二五重点项目(BWS11J025)

100853北京，解放军总医院骨科研究所

彭江，E-mail:pengjiang301@126．com

2013-12-20 修回时间:2014-01-15)