骨髓间充质干细胞诱导分化成骨细胞的研究现状

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第20卷第19期中国实验方剂学杂志Vol．20，No．192014年10月ChineseJournalofExperimentalTraditionalMedicalFormulaeOct．，2014骨髓间充质干细胞诱导分化成骨细胞的研究现状1，23*3师彬，杨武斌，王平(1.山东省医学科学院附属医院，济南250003;2.中国中医科学院望京医院，北京100102;3.山东省中医药研究院，济南250014)［摘要］归纳总结骨髓间充质干细胞的诱导方法和现代应用情况，为骨髓间充质干细胞诱导分化成骨细胞的深人研究提供参考。通过查阅、整理有关骨髓间充质干细胞的文献资料，从骨髓间充质干细胞的生物特性与制备、诱导成骨细胞的方法、在组织工程骨中的应用、所面临的问题以及未来的研究方向等方面进行总结和分析。结果显示骨髓间充质干细胞具有多向分化潜能，体外可诱导分化为成骨细胞，采用组织工程学技术可在体外构建骨组织工程支架。基于骨髓间充质干细胞的特性，使其在创伤修复、细胞替代治疗、支持造血、基因治疗等方面的应用前景也相当广阔。有必要开展骨髓间充质干细胞成骨诱导分化机制的研究，为其诱导分化成骨细胞提供指导意义和借鉴价值。［关键词］骨髓间充质干细胞;成骨细胞;诱导分化［中图分类号］Ｒ287［文献标识码］A［文章编号］1005-9903(2014)19-0228-04［doi］10．13422/j．cnki．syfjx．2014190228ＲesearchProgressinDifferentiationofBoneMarrowMesenchymalStemCellsintoOsteoblasts1，23*3SHIBin，YANGWu-bin，WANGPing(1.AffiliatedHospitalofShandongAcademyofMedicalSciences，Ji’nan250003，China;2.WangjingHospitalofCACMS，Beijing100102，China;3.ShandongAcademyofChineseMedicine，Ji’nan250014，China)［收稿日期］20130810(008)［基金项目］国家自然科学基金项目(81273776);山东省科技攻关计划项目(2010GCSF10278);2012年度山东省自主创新重大计划项目(2012ZHZX1C0405);山东中医药科技发展计划项目(2011-154);山东省科技发展专项(2012G0021846)［第一作者］师彬，博士，主任医师，从事骨科疾病研究，E-mail:sdyky-shibin@163.com*［通讯作者］杨武斌，硕士，从事药理学研究，Tel:13255696773，E-mail::yangwubinhome@163.com檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶［9］LIＲ，YANZY，LIWJ，etal．Theestablishmentof［13］孙毅．坤川楝子炮制工艺及质量标准研究［D］．北chromatographicpharmacodynamics［J］．EduChin京:北京中医药大学，2004:1.Med，2002，21(2):62.［14］贺福元．中药(复方)药动学研究现状及研究方法探［10］苏薇薇．沙田柚指纹图谱特征与其药效学关系的研讨［J］．中草药，2005，36(10):1582.究［D］．广州:第一军医大学，2005:4．［15］唐光曦，黄彦珺，张艺，等．黄连体外改善胰岛素抵［11］卢红梅，梁逸曾，钱频等．鱼腥草注射液质量控制中抗活性与HPLC指纹图谱的相关性研究［J］．世界科的谱效学初步探讨［J］．药学学报，2005，40学技术-中医药现代化，2009，11(6):828.［16］王微．黄芩指纹图谱及谱效关系研究［D］．北京:北(12):1147.京中医药大学，2009:71.［12］赵军宁，鄢良春，宋军，等．基于“功效-毒性-物质”［17］丁洪涛．姜黄挥发油组效关系研究［D］．天津:天津的新型中药质量控制模式的思路与方法［C］．天津:大学，2012:48.2010年中国药学大会暨第十届中国药师周，［责任编辑顾雪竹］2010:11.·228· 师彬，等:骨髓间充质干细胞诱导分化成骨细胞的研究现状［Abstract］Theaimofthisstudywastosummarizetheprocessinginducedosteogenicdifferentiationandmodernapplicationsofbonemarrowmesenchymalstemcellssoastoprovideareferenceforitsfurtherstudy．Byreferringtotherelevantliteratures，theprocessingresearchofbonemarrowmesenchymalstemcellswassummarizedandanalyzed．Thereviewmainlyfocusedonthebiologicalcharacteristicsofbonemarrowmesenchymalstemcells，inducedosteogenicdifferentiation，theapplicationoftissueengineeringbone，theproblemsofbonemarrowmesenchymalstemcellsatpresentandtheresearchdirectioninthefuture．Ithasbeenrevealedthatbonemarrowmesenchymalstemcellshavethemulti-potentialofdifferentiationandcanbeinducedtodifferentiateintoosteogenicexvivo．Bonemarrowmesenchymalstemcellscanbeusedforwoundhealing，cellreplacementtherapy，hematopoiesisandgenetherapyduetotheircharacteristics．Understandingthemechanismsofinductionanddifferentiationwillbeofimportantvaluetotheresearchmethodofdifferentiationofbonemarrowstromalcellsintoosteoblasts．［Keywords］bonemesenchymalstemcells;osteoblastcells;osteogenicdifferentiation［10］骨髓间充质干细胞(BMSCs)是一种多潜能干细胞，可分起排斥反应。因此，BMSCs日益受到人们的关注，并成为化为多种组织细胞，其免疫原性弱，而且易于转染外源基因，基因治疗、细胞治疗及组织工程学等相关研究的主要种子细是组织工程研究的热点载体细胞，在基因治疗及细胞治疗领胞，具有良好的应用前景。［1-2］域也展示了光明的前景。BMSCs作为基因治疗的理想2诱导骨髓间充质干细胞向骨细胞分化的诱导方法靶细胞，具有高代谢活力、利于重组蛋白分泌等诸多生物学2.1自体富血小板血浆自体富血小板血浆(APＲP)是从特性，在不同诱导条件下具有多向分化潜能，体外扩增能力自体血中提取的血小板浓缩液，经凝血酶激活后形成的胶状强。为促使BMSCs持续向成骨细胞转化，必须保持其外界物。用APＲP替代异种血清进行BMSCs的培养，可诱导有成骨诱导剂的持续作用。目前被广泛用于细胞及组织多BMSCs向成骨分化。有研究表明将APＲP替代胎牛血清种疾病的替代治疗。但随着对BMSCs的研究的不断深入，(FBS)，用于BMSCs体外培养扩增，发现APＲP能有效促进［11-12］发现BMSCs的数量及增殖、分化潜能随年龄的增大而不断干细胞增殖并启动干细胞成骨分化过程。［13］下降，限制了自体BMSCs移植的广泛应用。因此寻找新的王善正等通过用APＲP在体外培养兔的BMSCs。结间充质干细胞来源是近年来国内外干细胞研究的热点果发现经自体激活富血小板血浆诱导的BMSCsⅡ型胶原α1［3］之一。链基因和聚集蛋白聚糖基因表达明显增高，可见自体激活富1BMSCs生物学特性血小板血浆具有促进兔BMSCs向软骨细胞方向分化的潜［14］BMSCs来源于骨髓基质，具有间充质、内皮细胞的特能。陈涛等将覆盖于犬脱钙骨基质/富血小板血浆/骨髓点，能够表达多种抗原，包括黏附因子、生长因子、许多受体间充质干细胞后植入犬背阔肌下，诱导其向成骨细胞分化其［4-5］和整合素，但不会表达其特异性抗原。BMSCs起着支持成骨效果明显，可构建出较理想的组织工程骨。和营养造血细胞的作用，是一种具有高度自我复制、多谱系2.2中药提取物中药及其有效成分对于BMSCs向成骨分化潜能的非造血细胞来源的原始细胞亚群。其成骨潜能细胞增殖和分化有促进作用，通过体外培养BMSCs诱导其来源于基质系统的BMSCs。BMSCs具有强大的增殖能力和向成骨细胞方向分化，可以促进骨损伤的修复。［15］多向分化潜能，在骨代谢中扮演着重要角色，有较强的成骨武密山等采用川续断皂苷Ⅵ(akebiasaponinD)对大潜能并保持对骨坏死修复能力，在适宜的体内或体外环境下鼠BMSCs定向诱导分化为成骨细胞的影响，发现川续断皂可被诱导分化为成骨细胞、软骨细胞、基质细胞和造血细胞苷Ⅵ具有促进大鼠体外BMSCs向成骨细胞增殖和分化的作等多种细胞，是目前最理想的骨组织工程研究领域的理想种用，这一作用可能与其升高Cbfα1mＲNA的表达有关。顾巧［6-7］［16］子细胞。而且BMSCs易于接受外源基因的导入，在造血丽等采用不同浓度姜黄素对大鼠BMSCs成骨分化的诱重建、组织修复和基因治疗方面也具有广阔的应用前景，是导，发现姜黄素呈剂量依赖性促进BMSCs碱性磷酸酶活性［8］极具潜力的基因治疗载体细胞。及Ｒunx-2、血红素单加氧酶1的表达，证明姜黄素能有效促［17］目前，常用的BMSCs分离纯化的方法有全骨髓贴壁培进大鼠BMSCs早期成骨分化。杨渊等用柚皮苷诱导兔养法和密度梯度离心法。而BMSCs的鉴定主要借助其表面BMSCs向成骨力方向分化，结果柚皮苷成功的诱导了抗原性，BMSCs在细胞贴壁附着后表达CD29，CD44等多种BMSCs向成骨方向的分化，并且基质分泌增多，形成钙结表面蛋白，但不表达造血干细胞表面标志CD14和CD34节，无明显毒性作用。［9］等。这些表面抗原在免疫学上很特别，低表达主要组织2.3其他诱导剂BMSCs经成骨诱导后，碱性磷酸酶相容性复合体MHCⅠ和MHCⅡ，不表达主要共刺激分子(ALP)和钙化结节是BMSCs向成骨细胞分化成熟的重要标如CD40，CD80，CD86。从而同种异体移植BMSCs并不引志。阿仑膦酸钠(ALN)是一种高效的骨吸收抑制剂。佘国·229· 第20卷第19期中国实验方剂学杂志Vol．20，No．192014年10月ChineseJournalofExperimentalTraditionalMedicalFormulaeOct．，2014［18］荣等采用ALN对BMSCs进行诱导，以分化过程中ALP4讨论与展望和钙化结节的表达为指标，观察发现ALN能促进BMSCs增BMSCs有广泛的多分化潜能，可通过化学药物、物理刺［34］殖和骨向分化。激、生物因子等诱导其分化。具有来源丰富、病原微生物雷奈酸锶主要是用于治疗和预防绝经后妇女的骨质疏感染率低，且生物性能稳定、低免疫原性和负性免疫调节作松的。有研究发现Sr可通过TGF-β1/Smad通路促进大鼠用，同种异体移植免疫排斥反应弱，不产生移植物抗宿主病［19］［20］BMSCs向成骨细胞分化。吕辉珍等发现骨形态发生等诸多优点，是细胞移植治疗和组织工程器官构建理想的种蛋白-2(BMP-2)/Smad通路参与了Sr促进BMSCs成骨子细胞，为组织再生修复与原位重建提供了新思路。但是直分化。到目前为止BMSCs在体内的细胞生物学和分子生物学作用［21］激素也可以诱导BMSCs向成骨细胞分化。韩娜等机制尚不清楚，BMSCs广泛应用于临床还有许多问题亟待观察发现17β-雌二醇可诱导BMSCs向成骨细胞转化，其可解决。未来可通过基因工程方法将具有成骨作用的基因导能通过上调Ｒunx2因子表达发挥促成骨作用。吕玉明人BMSCs，使目的基因在细胞内表达并合成具有骨诱导作［22-23］等采用地塞米松、β-磷酸甘油和维生素C3种物质作为用的生长因子，来克服外源性生长因子在临床应用中半衰期［35-36］诱导BMSCs向成骨细胞分化的基本辅剂，所培养的细胞具短、需反复给药、大剂量给药有副作用等缺点。因此它有典型的成骨细胞形态和功能。因此BMSCs经过成骨诱导在组织工程创伤修复、细胞替代治疗、基因治疗等方面具有剂的诱导后能够表现出成骨细胞的形态学和生物学特性。很好的临床应用价值和广阔的应用前景。3BMSCs在骨组织工程中的应用［参考文献］3.1修复软骨损伤和骨缺损随着干细胞技术的发展，利用BMSCs联合组织工程技术修复软骨损伤成为一种可能。［1］KogaH，EngebretsenL，BrinchmannJE，etal．利用细胞片层技术结合BMSCs可以构建出含板层骨结构的Mesenchymalstemcell-basedtherapyforcartilage［24］repair:areview［J］．KneeSurgerySportsTraumatology组织工程骨，可修复下颌骨缺损。如在颞下颌关节紊乱病患者中采用软骨的组织工程技术，通过高浓度软骨细胞的Arthroscopy，2009，17(6):1289.关节腔内注射，利用软骨细胞的可流动性复合到关节内关节［2］宋鹏，王鸣刚，姚娟，等．淫羊藿苷对rBMSCs成骨和创面，经细胞的增殖及分泌功能产生正常的胶原纤维修复病成脂分化的影响［J］．中国实验方剂学杂志，2012，18变的关节盘及关节面，从而全面恢复关节的功能，从而达到(20):200.［25］［3］张元中．蜕皮甾酮对人脐带间充质干细胞生物学特根治疾病的目的。还有，BMSCs复合载异补骨脂素作为一种新型复合材料具有明显骨诱导作用，可望成为临床应用性的影响［D］．广州:南方医科大学，2011.［26］［4］张玉明．大鼠骨髓间充质干细胞经HIF-1α基因转染中修复颌骨缺损的新型材料。［27］杨兴华等通过体外培养骨髓间充质干细胞，注入兔后生物学特性的实验研究［D］．西安:第四军医大颞下颌关节紊乱病动物模型，发现骨髓间充质诱导的成软学，2012.骨细胞关节腔注入后可促进兔颞下颌关节骨关节病愈合。［5］闫晓风，叶目亭杰，刘会洋，等．骨髓间充质干细胞向肌［28］张亮等应用BMSCs联合纤维蛋白胶(FG)较好地修复成纤维细胞转化及一贯煎的影响［J］．中国实验方剂了大鼠牙槽骨缺损，发现其是修复小范围骨缺损理想的种学杂志，2011，17(22):123.子细胞与支架材料。也有报道利用自体微小颗粒骨复合骨［6］王钊．神经肽CGＲP、SP、NPY对骨髓基质干细胞的髓间充质干细胞治疗感染性骨缺损，显示出良好的生物学效应及其机制研究［D］．广州:南方医科大［29］效果。学，2011.3.2股骨头坏死股骨头坏死(ONFH)是一种常见病、多［7］陈鹏飞，吴小翎，周伟，等．大鼠骨髓间充质干细胞向发病，股骨头坏死患者的保头治疗是困扰国内外骨科医生的肝样细胞的定向诱导分化［J］．中国生物制品学杂难题。研究表明，非创伤性ONFH可能与股骨头内含有成志，2011，24(1):20.［30-31］骨始祖细胞的BMSCs数量减少和增殖能力减弱有关。［8］田雨，杨燕，江德鹏，等．大鼠骨髓间充质干细胞体外［32］庞承刚等通过研究仿生脉冲磁场(BEMF)联合同种向血管平滑肌样细胞诱导分化过程中Periostin的表异体BMSCs对兔早期股骨头坏死(ONFH)模型的促血管再达及其作用［J］．中国生物制品学杂志，2011，24生、骨再生的修复作用，发现BEMF联合同种异体BMSCs移(2):163.植可促进坏死股骨头内血管再生和骨修复作用。冯建书［9］崔洁，蒋明德，梅浙川，等．电穿孔法转染增强型绿色［33］等探讨自体松质骨和BMSCs联合移植治疗股骨头缺血荧光蛋白基因对人骨髓间充质干细胞生物学特性的性坏死的可能机制，为该方法应用于临床提供依据。BMSCs影响［J］．中国生物制品学杂志，2011，24(7):797.治疗股骨头缺血性坏死，主要是细胞移植能为股骨头的骨质［10］高振华，胡晓书，蔡华松，等．SPIO标记兔BMSCs的修复提供了充足的BMSCs，从而骨修复现象活跃，提高了骨生物学特性与体外MＲI显像研究［J］．中国CT和移植的成功率，促进股骨头骨组织修复。MＲI杂志，2012，10(5):1.·230· 师彬，等:骨髓间充质干细胞诱导分化成骨细胞的研究现状［11］谢星．骨髓间充质干细胞(BMSCs)治疗挤压伤性急［25］ShiJ，ZhangX，ZengX，etal．One-steparticular性肾损伤(衰竭)的实验研究［D］．福州:福建医科大cartilagerepair:combinationofinsitubonemarrowstem学，2011.cellswithcell-freepoly(L-lactic-co-glycolicacid)［12］马志兵，袁峰，金培生，等．不同培养方法对兔骨髓间scaffoldinarabbitmodel［J］．Orthopedics，2012，35充质干细胞诱导分化为成骨细胞的影响［J］．中华实(5):e665.验外科杂志，2013，30(1):177.［26］高志超，李善昌，金珊丹，等．骨髓间充质干细胞复合［13］王善正，王宸，芮云峰，等．自体激活富血小板血浆干载异补骨脂素支架材料修复骨缺损的研究［J］．口腔预兔骨髓间充质干细胞体外成软骨分化的研究［J］．医学研究，2012，28(12):1234.中国组织工程研究，2013，17(1):1.［27］杨兴华，彭琳，刘云生，等．骨髓间充质干细胞移植治［14］陈涛，王艳辉，卜令学，等．应用细胞片层技术构建组疗颞下颌关节骨关节病［J］．中国组织工程研究，织工程骨［J］．中国组织工程研究与临床康复，2011，2013，17(19):3488.15(2):191.［28］张亮，丁寅，邵金陵，等．骨髓间充质干细胞联合纤维［15］武密山，赵素芝，任立中，等．川续断皂苷Ⅵ诱导大鼠蛋白胶修复大鼠牙槽骨缺损的研究［J］．华西口腔医骨髓间充质干细胞向成骨细胞方向分化的研究［J］．学杂志，2011，29(2):125.中国药理学通报，2012，28(2):222.［29］李刚，李志远，荆浩，等．自体微小颗粒骨复合骨髓间［16］顾巧丽，蔡燕，黄晨，等．姜黄素调控大鼠骨髓间充质充质干细胞治疗兔感染性骨缺损的实验研究［J］．宁干细胞的成骨分化［J］．中国组织工程研究，2012，16夏医科大学学报，2012，34(5):462.(27):5057.［30］王佰亮，李子荣，孙伟，等．浓缩自体骨髓移植治疗非［17］杨渊，李小峰，罗道明，等．柚皮甙诱导兔骨髓间充质创伤性股骨头坏死的临床研究［J］．中华关节外科杂干细胞的成骨特征［J］．中国组织工程研究，2013，志:电子版，2011，5(4):426.(14):2603.［31］ＲodriguesMT，GomesME，ViegasCA，etal．Tissue-［18］佘国荣，吴昊，查振刚，等．阿仑膦酸钠对骨髓间充质engineeredconstructsbasedonSPCLscaffoldscultured干细胞骨向诱导的实验研究［J］．广东医学，2012，33withgoatmarrowcells:functionalityinfemoraldefects(2):155.［J］．JTissueEngＲegenMed，2011，5(1):41.［19］黄晓丹，吕辉珍，靳思思，等．雷奈酸锶通过TGF-β1/［32］庞承刚，姜文学，姜春乾，等．仿生脉冲磁场联合同种Smad通路促进骨髓间充质干细胞向成骨细胞分化异体骨髓间充质干细胞移植治疗股骨头坏死的实验［J］．中国病理生理杂志，2013，29(2):302.研究［J］．中华关节外科杂志:电子版，2012，6［20］吕辉珍，黄晓丹，靳思思，等．雷奈酸锶通过骨形态发(5):756.生蛋白-2/Smad通路促进骨髓间充质干细胞成骨分［33］冯建书，胡永成，王保芝，等．自体松质骨和骨髓间充化［J］．南方医科大学学报，2013，33(3):376.质干细胞联合移植治疗家兔股骨头缺血性坏死的实［21］韩娜，寇玉辉，王天兵，等．17β-雌二醇对大鼠骨髓间验研究［J］．中医正骨，2012，24(6):13.充质干细胞向成骨细胞分化的诱导调控［J］．中国组［34］徐凌霄，高俊，张前德．左归丸含药血清对大鼠骨髓织工程研究，2012，16(10):1721.间充质干细胞骨向分化中碱性磷酸酶含量的影响［22］吕玉明，程立明，裴国献，等．骨髓间充质干细胞向成［J］．中国实验方剂学杂志，2011，17(7):149.骨细胞诱导分化的实验研究［J］．实用医学杂志，［35］曾昭勋．hTGF-β1、hBMP-2基因修饰骨髓间充质干细2012，28(9):1401.胞生物学特性的实验研究［D］．福州:福建医科大［23］赵大成，汪玉良，党跃修，等．大鼠骨髓间充质干细胞学，2011.的体外成骨诱导［J］．中国组织工程研究，2012，16［36］刘玲英，柴家科，韩焱福，等．脐带Wharton胶来源(14):2491.MSCs生物学特性及其优越性的研究进展［J］．中国［24］姚超，卜令学，王科，等．应用细胞片层技术构建组织修复重建外科杂志，2011，25(6):745.工程骨修复犬下颌骨缺损的实验研究［J］．华西口腔［责任编辑邹晓翠］医学杂志，2012，30(3):229.·231·