生物活性因子修饰骨髓间充质干细胞的研究进展

[摘要] 骨髓间充质干细胞（BMSCs）是骨髓基质中存在的非造血系的具有多向分化潜能的成体干细胞，现已成为国内外医学研究的热点。生物活性因子分布在人体各个组织中，对骨髓间充质干细胞具有重要的调节作用。文章从BMSCs的含义、细胞特性、联合多种生物活性因子及对组织的治疗等方面进行详细的阐述。

[关键词] 生物活性因子；骨髓间充质干细胞；基因修饰

[中图分类号] R457.7 [文献标识码]A [文章编号] 2095-0616（2014）13-48-04

[Abstract] Bone marrow mesenchymal stem cells （BMSCs） are non-hematopoieticstem cells existing in bone marrow matrix that have multi-directional differentiation potential and they have become the hotspot of domestic and overseas medical research.Bioactive factors distribute all over the tissues of human body and have important regulatory effect on the BMSCs.This paper illustrates the implication，cell characteristics，multiple bioactive factors combination，tissue treatment and other aspects in detail.

[Key words] Bioactive factor；Bone marrow mesenchymal stem cells；Gene modification

骨髓间充质干细胞（bone mesenchymal stem cells，BMSCs）是一类自我更新能力强、多向分化潜能、可塑性高的干细胞。在特殊的诱导下，能分化为多种细胞，包括心肌细胞、骨细胞、神经细胞、血管内皮细胞等等。目前，转基因技术的优势已发挥重大的作用，已有多种不同的生物活性因子被导入到BMSCs中，并持续在BMSCs中表达，进而诱导和刺激BMSCs的增殖、分化及成熟。

1 BMSCs的来源及其分子表达

目前研究最多、最为深入的就是骨髓来源的间充质干细胞，它是构成骨髓造血微环境的重要部分，具有支持和造血调控的作用。也有人称其为骨髓基质细胞，是因为它们来自骨髓的支持结构，起到维持造血干细胞存活及其功能的作用。随着对这种细胞研究的逐渐深入，发现其在多向分化、自我更新、免疫调节、分泌细胞因子功能等方面具有独特的性质，故目前学术界一般将其称BMSCs。

一般认为，BMSCs能表达CD34、CD106、CD124、CD105、CD146、CD90、CD13、CD44、CD54、CD29、CD73、CD120a、CD166、SH2、SH3、SH4、STRO-1特异性细胞表面抗原以及ALCAM/CD44黏附分子，但一般不表达类似造血干细胞表面的相关分子[1]。

2 BMSCs的特性

在目前研究的干细胞中，应用较为广泛的就是BMSCs。它具有其他干细胞所没有的的特性：（1）具有多向分化潜能，在适当条件下可被诱导分化为心肌细胞、内皮细胞及平滑肌细胞等多种细胞；（2）从骨髓中容易分离，在适宜的培养环境中能快速贴壁生长，容易纯化，可成倍扩增，且具有遗传稳定性，在传代后仍能保持原来的细胞特性，不会发生转化；（3）可分泌多种细胞因子，这些细胞因子能改善重要器官的功能；（4）具有低免疫源性，这种特性的存在降低了BMSCs移植后所产生的免疫排斥反应和相关并发症的发生；（5）易导入外源基因，并可以持续地表达该基因，可以提高BMSCs移植的存活率，促血管生长等作用。这些特性决定BMSCs适合作为一种种子细胞进行有效的移植治疗[2]。

3 修饰BMSCs的生物活性因子

生物活性因子主要有转录因子、营养及生长因子、信号分子及其通路等。下面将介绍近年来主要应用于实验方面的生物活性因子。

3.1 转录因子

GATA-4作为一种特定的蛋白转录因子，在细胞的分化、生长和存活的过程中起着至关重要的作用。它可以促进血管生成、增加细胞存活和分化，减少心肌细胞的凋亡。李红霞等[3]探讨了GATA-4过表达对大鼠骨髓间充质干细胞保护心肌细胞的影响，试验结果表明GATA-4转染后，增加了BMSCs转化为心肌样细胞，并对心肌梗死后的重构产生很大的作用。

SOX9基因是软骨类细胞分化的一个必需转录因子，它除了是维持软骨表型的主要调控基因之外，还可以增加Ⅱ型胶原及聚集蛋白聚糖（Aggrecan）基因的表达水平。许云等[4]探讨了SOX9基因修饰骨髓间充质干细胞并诱导其向髓核样细胞分化的实验研究，选用SOX9、Ⅱ型胶原及Aggrecan作为BMSC向髓核样细胞分化的特征指标，结果表明过表达SOX9基因特定环境中能促进骨、关节及软骨细胞的再分化。

低氧诱导因子-1α（hypoxia-inducible factor 1α）是一种重要的核转录因子，目前被认为是最具有前途的治疗基因之一。它具有促进血管新生、上调下游靶基因、改善组织的血液供应等作用。王君等[5]探讨了大鼠低氧诱导因子-1α基因转染骨髓间充质干细胞的实验研究，发现转染后BMSCs具有向神经干细胞分化的潜能，并可维持该细胞的特点。更有研究发现，不同类型的HIF-1α基因诱导骨髓间充质干细胞均能向心肌细胞分化，为两者的联合应用提供了实验证据[8]。

还有很多相关的细胞转录因子，如Tbx-5和NKX2-5等均可诱导骨髓间充质干细胞向心肌细胞分化[6]；Mef2c基因参与介导骨骼肌、心肌以及平滑肌细胞的分化过程；Cbfa-1基因则可促使骨髓干细胞向成骨细胞分化[7]。

3.2 营养因子及生长因子

血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）是一种高度特异性细胞因子，具有促进缺血心肌的毛细血管的再生，恢复血管内皮的正常组织结构及其生理功能，最终起到改善器官组织微循环的作用。杨锴等[8]研究探讨了VEGF基因转染骨髓间充质干细胞移植治疗对大鼠心肌梗死组织血管再生以及心功能的影响，可明显改善缺血心肌的心功能，促进血管再生和心肌细胞的形成。

碱性成纤维细胞生长因子（basic fibroblastgrowth factor，bFGF）是调控增殖及定向分化的首选生长因子之一，也是一种重要的营养因子，具有刺激新生血管形成，促进神经细胞生长和纤维再生的作用，同时对软骨细胞的分化和增殖也具有生物学效应，是目前发现的最强的促细胞生长因子。缪黄泰等[9]研究了碱性成纤维细胞生长因子体外诱导犬骨髓间充质干细胞向心肌样细胞分化，还得出了bFGF体外诱导BMSCs向心肌细胞分化的最适浓度（10?/L），为今后的研究提供了证据。

胶质细胞源性神经营养因子（glialcell line-derivedneurotrophic factor，GDNF）是一种强效的神经营养因子，除对神经元具有保护作用外，对中枢神经系统神经元的分化、发育、生长和存活具有重要意义。杜杰等[10]探讨了GDNF基因修饰的BMSCs向神经元样细胞的分化及神经营养因子的表达，试验结果提示GDNF具有诱导BMSCs向神经元样细胞分化的作用。

脑源性神经营养因子（brain-derived neurotrophic factor，BDNF）是神经营养因子家族中的重要成员，可以促进感觉神经元谱系分化，维持运动神经元的存活，对神经细胞的生长发育及修复有重要的保护作用。于泽洋等[11]研究发现脑源性神经营养因子转染BMSCs可以有效表达该蛋白，并且使BMSCs向成骨细胞的分化进程加快，对骨折后损伤部位的组织修复等具有重要的作用，为临床疾病提供了新的方向。

血管生成素-1（Angiopoietin-1）是一类重要的血管生长因子，可以提高血管内皮细胞的存活力，对细胞凋亡有着抑制作用，可使血管通透性降低，减少血管的萎缩和退化。侯淑红等[12]研究了Ang-1基因修饰骨髓间质干细胞移植后心肌梗死大鼠的心功能变化，不仅稳定了Ang-1基因的表达，提高了BMSCs存活率，而且对新生血管起到了很好的调控作用，改善了梗死心肌的功能。

血管紧张素Ⅱ（Angiotensin Ⅱ，AngⅡ）是一种细胞生长因子，具有调节水钠代谢及血管张力的生理作用，可刺激血管平滑肌细胞、成纤维细胞的增生，还可诱导人骨髓间充质干细胞分化为心肌样细胞[13]。张蕾等[14]研究还发现血管紧张素Ⅱ联合生长因子诱导人骨髓间充质干细胞向多巴胺能神经元分化。

胰岛素样生长因子1（Insulin-like growthfactor 1）是软骨发育过程中一种强有力的合成代谢刺激生长因子，能够促进软骨细胞的增殖和成熟，延缓基质的降解，抑制软骨细胞的凋亡。邬波等[15]探讨了胰岛素样生长因子1对骨髓间充质干细胞软骨分化及基质金属蛋白酶表达的影响，结果显示胰岛素样生长因子1能够促进骨髓间充质干细胞向软骨细胞分化，还可保护软骨胶原纤维的稳定性。

转化生长因子-β（transforming growth factor-β， TGF-β）是属于TGF-β超家族的一组重要的生长因子，对细胞的增殖、分化、黏附和凋亡具有调控作用。目前研究较多的是TGF-β1和TGF-β3。吕洋等[16]采用了转化生长因子β1对骨髓间充质干细胞进行定向诱导，得到其定向可分化为心肌样细胞，且分化的细胞还具有心肌细胞的特性。而王体俊等[17]研究了转化生长因子β3和骨形态发生蛋白2基因共转染骨髓干细胞，发现TGF-β3能增加骨形态发生蛋白的诱导成骨量，从而促进BMSCs的分化。

骨形态发生蛋白2（Bonemorphogenetic protein2）是一种多功能的细胞生长因子，在骨形态发生蛋白家族中是骨诱导性能最强的，对骨形成有调控作用。段智霞等[18]通过实验证明骨形成蛋白2活性多肽在体外能诱导骨髓间充质干细胞向成骨方向分化，且这种诱导效应存在明显的剂量依赖关系。

还有一些营养因子如神经营养因子（NT）、神经生长因子（NGF）、表皮生长因子（EGF），均能促使BMSCs向神经元样细胞分化[19-21]；肝细胞生长因子（HGF）体外诱导BMSCs可向肝细胞分化[22]；血小板源性生长因子（PDGF）则可促使BMSCs向心肌细胞和平滑肌细胞分化。

3.3 信号分子及信号通路

Wnt信号通路是一条高度保守的信号传导通路。Wnt家族成员通过自分泌或旁分泌作用与细胞膜上的受体相结合，激活细胞内的信号通路，调节靶基因的表达，在细胞增殖及迁移，心脏及神经系统发育，干细胞分化及增殖等多种生理过程和肿瘤的发生和转移等病理过程中起着至关重要的调节作用。近年来已有研究证实Wnt信号通路参与骨髓间充质干细胞的定向分化及增殖的过程[23]。Wnt基因家族中研究最多的当属Wnt3a，Wnt5a和Wnt7a这三种蛋白信号因子。Wnt3a主要促进神经干细胞以及成骨细胞的分化，且可使体外培养的BMSCs大量增殖[24]。沈亚莉等[25]的研究证明了通过腺病毒实现了外源性wnt5a基因转染bMSCs，促进了BMSCs的增殖。而Wnt7a对促进BMSCs向神经元样细胞分化有重要作用[26]。

Notch信号通路是一条保守而重要的通路。Notch通路几乎涉及到了所有的细胞，对细胞的分化、增殖及凋亡起到了重要的调控作用。Notch信号通路还参与BMSCs分化的调节过程。柳柯等[27]研究了Notch信号通路在骨髓间充质干细胞向肝细胞分化过程中的动态表达特征，用实验方法检测到在Notch信号通路中关键因子的表达作用，为干细胞的临床未来治疗提供了基础。

Hedgehog信号通路是一条保守而高效的通路，对各种组织器官的形态功能有着调节作用。Hedgehog家族蛋白是一种分泌型信号蛋白，主要包括Shh、Ihh和Dhh。其中的Shh和Ihh，不仅能调控成骨细胞的分化，还能促进BMSCs的增殖分化[28]。Hedgehog信号通路被抑制剂激活后还能抑制BMSCs向脂肪细胞分化[29]。目前尚有许多关于Hedgehog信号通路及相关分子机制研究的不确定性，还需要我们进一步去证实。

4 存在问题及展望

骨髓间充质干细胞是重要的组织工程学细胞，具有广阔的应用前景，它可以诱导分化为多种细胞，如心肌细胞、成骨细胞、神经细胞等。而基因对骨髓间充质干细胞的修饰作用，不仅可以增强其定向分化的能力，还能促进细胞的增殖，调控细胞的凋亡。目前骨髓间充质干细胞的研究已经取得了很多的成绩，但还有很多问题需要我们去解决，比如如何提高被修饰后的骨髓间充质干细胞的机体存活率；某些基因对骨髓间充质干细胞的作用机制尚不是很清楚，应用于人体当中会不会有负性作用，还有待进一步的验证。

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（收稿日期：2014-04-10）