人体干细胞 一文透视间充质干细胞，从根本到未来
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间充质干细胞在细胞界早已经是家喻户晓的明星，不过很多人乃至业内人士都对间充质干细胞有诸多误解乃至不清楚的地方，譬如为什么叫“间充质”？譬如它的真实来源是哪里？它可以分化为除了骨、软骨和脂肪以外的什么细胞？它为何被分成多能、双能和单能的不同潜能细胞？等等一系列问题！
本文试图从其根本入手，把很多基础概念进行梳理，只有从根本出发，我们才能更好的明白间充质干细胞能做什么，未来的方向在哪里？
MSC来历
是成人骨髓间充质干细胞理论的先驱之一。基于他在20世纪60年代和70年代之交的观察。他将骨髓异位移植入肾被膜，不仅导致骨髓细胞增殖，而且导致骨的形成。
这表明除了造血细胞外，在骨髓中还存在第二种干细胞群，产生骨前体。由于这些细胞能够产生成骨细胞，将它们命名为成骨干细胞。也是第一个从骨髓中分离出具有快速生长能力的贴壁成纤维细胞样细胞的人。将成纤维细胞克隆单元集落移植入受体后，它们能够共同形成骨髓微环境。
“间充质干细胞”一词是由在1991年提出的，因为它们能够分化成多种类型的细胞，在许多器官中形成结缔组织。
这个名字已经变得非常流行，是目前最常用的。今天，在文献中有许多MSCs缩写的替代物，包括多能基质细胞、骨髓基质细胞、中胚层干细胞、间充质基质细胞等等。
不过在其最新的工作中，卡普兰建议将这些细胞重命名为“药用信号细胞”，因为他们强调移植后治疗效果的机制，这被认为主要是基于促进再生过程的因子的分泌。
MSCs的标准
由于关于发现的细胞的命名、干细胞的程度和特征的争议越来越大，国际细胞治疗学会(ISCT)在2006年发表了其立场，规定了定义MSCs群体的标准，该标准被全球科学界接受。
这些指南推荐使用多能间充质基质细胞的名称，然而，间充质干细胞的名称仍然是最常用的。
鉴定间充质干细胞的条件是细胞的生长在试管内作为粘附于基质的群体，其表型特征存在CD73、CD90、CD105表面抗原，并且缺乏以下蛋白质表达:CD45、CD34、CD14、CD11b、CD79a或CD19或II类组织相容性复合体抗原。
此外，这些细胞必须具有向成骨细胞、脂肪细胞和成软骨细胞分化的能力。
间充质干细胞的个体发育
间充质是什么意思呢？它与间充质组织或胚胎结缔组织同义。
它被用来指只存在于主要来源于发育胚胎中的中胚层的一组细胞。在发育过程中，这些细胞迁移并扩散到整个胚胎体内。它们产生细胞，这些细胞在成年生物体中构建结缔组织，如骨骼、软骨、肌腱、韧带、肌肉和骨髓。
然而，间充质干细胞的真正来源是未知的。
在文献中，我们还可以发现报道表明它们在个体发生学上与一组来源于外胚层的细胞相关，这些细胞来源于在胚胎神经外胚层和神经嵴发育过程中出现的Sox1+细胞。这些细胞存在于新生骨髓中，并符合间充质干细胞相对应的标准。
然而，随着动物的发育，这些细胞群消失了，取而代之的是来源不明的不同细胞。有研究还表明，在发育中的小鼠胚胎的骨髓中，可以区分至少两个具有不同巢蛋白表达和细胞分裂强度的MSCs群体。前者来源于不表达巢蛋白的中胚层，以强烈增殖为特征，并参与创建胚胎骨骼的过程。后者来源于神经嵴细胞，表达巢蛋白，不分裂，在骨形成过程中保持被动，而在成人机体中有助于造血细胞的小生境。
因此，似乎MSCs的个体发生与属于不同胚层的细胞有关，它们的原始来源决定了它们在成人体内的作用和功能。
MSC群体的异质性
虽然满足MSCs标准的细胞可以利用其可塑性粘附特性从所有发育阶段(胎儿、青年、成年和老年)的各种组织中获得，但是在获得的MSC群体之间存在着深刻的差异。
骨髓在历史上是获得间充质干细胞的第一个来源，然而，随着发展，人们可以从具有类似特性的其他细胞来源中分离出间充质干细胞，譬如从成人身体的组织和分泌物中获得，如脂肪组织、外周血、牙髓、黄韧带、月经血、子宫内膜、母亲的乳汁以及胎儿组织：羊水、胎膜、绒毛膜、胎盘、脐带、脐带胶质和脐带血。
与从成年生物体组织中分离的细胞相比，胎儿来源的MSCs的特征在于更快的增殖速率以及更大数量的干细胞在试管内衰老前的传代次数。
从各种来源获得的间充质干细胞分化能力的差异也已被描述。观察到来源于脐带血的MSCs缺乏向脂肪细胞的分化能力，而来源于骨髓和脂肪组织的MSCs有着向成骨细胞分化的更强趋势。
除了在不同来源的间充质干细胞之间观察到的差异之外，从不同个体供体获得间充质干细胞也存在差异。在从不同年龄和性别的供体的骨髓中分离的细胞中，发现它们的增殖和成骨速率存在高达12倍的差异，并且骨重塑标记物活性-ALP(碱性磷酸酶)的水平存在40倍的差异。
一些研究结果表明，从骨髓中分离的间充质干细胞的特性与供体的年龄密切相关。从老年供体收集的细胞的特征是凋亡细胞百分比增加和增殖速度减慢，来自老年供体的间充质干细胞向成骨细胞分化的能力也减弱了。
我们也可以观察到间充质干细胞群体的多样性。源自同一分离的培养细胞的形态学允许分化成三个亚群。观察到类似成纤维细胞的纺锤形增殖细胞(I型)；具有明显细胞骨架结构的大而平的细胞，包含许多颗粒(II型)和具有高度自我更新能力的小而圆的细胞。
在文献中，我们可以发现来自CFU-F相同集落的细胞系具有不同的性质，其特征为单能、双能或多能。一些作者展示了将克隆原性MSCs集落分成八组，这些组在分化潜能上不同。同时，这表明存在一个层级，在该层级中，彼此从属的细胞越来越多地指向骨-软骨-或脂肪细胞，并逐渐失去它们的多潜能特性而成为双潜能和单潜能细胞。
间充质干细胞的免疫调节特性
间充质干细胞的主要优势之一是它们的免疫调节特性。
在体外，MSCs具有调节参与初级和获得性免疫应答过程的大多数效应细胞的功能。
它们通过抑制外周血单核细胞增殖的补体介导作用发挥免疫调节作用，阻断天然和活化的嗜中性粒细胞的凋亡，以及减少与血管内皮细胞结合的嗜中性粒细胞的数量，限制这些细胞在损伤区域的移动。
由活化的间充质干细胞合成的细胞因子刺激嗜中性粒细胞趋化性和促炎性趋化因子的分泌，所述趋化因子参与吞噬巨噬细胞特性的募集和刺激。
此外，MSCs限制肥大细胞脱颗粒、这些细胞分泌促炎细胞因子以及它们向趋化因子的迁移。
MSCs可以通过直接接触以及分泌的旁分泌因子阻断从骨髓或血液单核细胞分离的CD34+细胞分化为成熟的树突细胞。它们抑制未成熟树突细胞向成熟形式的转化，并限制树突细胞向组织的动员。在它们的影响下，M1(促炎)巨噬细胞转化为具有抗炎表型的M2型细胞，它们分泌的IL-10(IL，白细胞介素)抑制T细胞增殖。
MSCs对淋巴细胞有直接的免疫调节作用。在MSCs与淋巴细胞共培养期间，观察到活化的CD4+和CD8+T细胞和B淋巴细胞受到抑制。此外，间充质干细胞降低T淋巴细胞合成的促炎细胞因子的水平，如TNF-α(肿瘤坏死因子α)和IFN-γ(干扰素γ)，并增加抗炎细胞因子如IL-4的合成。在MSCs存在的情况下，抑制初始CD4+ T淋巴细胞向Th17+淋巴细胞的分化(Th；辅助性T细胞)，同时发现分化为CD4+ CD25 +调节性T细胞的T细胞的百分比增加。等人将这种情况描述为在存在MSCs的情况下活化的T细胞无反应。
MSCs还具有限制活化的B细胞分泌免疫球蛋白如IgM、IgG和IgA，从而阻断这些细胞向浆细胞的分化。
间充质干细胞的旁分泌特性
间充质干细胞分泌多种旁分泌因子，统称为分泌体，支持受损组织的再生过程。
它们包括细胞外基质成分、参与粘附过程的蛋白质、酶及其激活剂和抑制剂、生长因子和结合蛋白、细胞因子和趋化因子等等。这些因子对它们调节的过程有明显的影响。
MSC依赖的营养支持机制
MSCs分泌促进血管生成的因子，如：血管内皮生长因子(VEGF)，但它们也可能通过干扰素γ和金属蛋白酶1和2的组织抑制剂诱导的单核因子的表达来抑制这一过程。
MSCs分泌的趋化因子在阻断或刺激细胞趋化过程中也发挥重要作用，如:CCL5(，受正常T淋巴细胞的激活、表达和分泌调节)、(SDF-1，基质细胞衍生因子1)或ccl8(MCP-2；单核细胞趋化蛋白2)。
从再生过程的观点来看，一组重要的因子是具有抗凋亡作用的生长因子，包括:HGF(肝细胞生长因子)、IGF-1(胰岛素样生长因子1)、VEGF、CINC-3(由嗜中性粒细胞趋化因子的趋化因子诱导的细胞因子)、TIMP-1(金属蛋白酶1的组织抑制剂)、TIMP-2(金属蛋白酶2的组织抑制剂)、骨桥蛋白、生长激素、FGF-BP(bFGF结合蛋白)和BDNF(脑源性生长因子；-衍生神经营养因子)和刺激增殖为:TGF-α(转化生长因子α)、HGF、EGF(表皮生长因子)、NGF(神经生长因子；神经生长因子)、bFGF(碱性成纤维细胞生长因子)、IGFBP-1、IGFBP-2(IGF BP；胰岛素样生长因子1结合蛋白、IGF蛋白-1蛋白)和M-CSF(刺激因子t磨牙巨噬细胞集落；巨噬细胞集落刺激因子)。
由间充质干细胞分泌的生长因子也具有在再生过程中减少组织纤维化的能力。这些包括KGF(角质细胞生长因子)，HGF，血管内皮生长因子，血管生成素-1，SDF1，IGF-1，表皮生长因子，HGF，神经生长因子，TGF-α。
有关于MSC分泌组的抗菌特性和与癌细胞的相互作用的报道。关于间充质干细胞对肿瘤形成的影响的数据还不是结论性的，然而，据推测肿瘤类型和间充质干细胞的来源对最终的影响非常重要。研究表明，包含在MSCs分泌组中的因子能够降低某些类型的癌细胞(如非小细胞肺癌)的增殖、生存力和迁移。其他研究表明，由间充质干细胞释放的因子可以增加运动性、侵袭性和形成转移的能力。
在对细菌的反应中，由间充质干细胞分泌的细胞因子如IL-6、IL-8、CCL5、PGE2、TNF-α、IL-1β、IL-10、VEGF和SDF-1的水平会发生变化，因此间充质干细胞还含有具有抗菌、抗寄生虫和抗病毒活性的物质。
近年来，与旁分泌间充质干细胞活性相关的另一个广泛且动态发展的领域是它们分泌胞外小泡(EVs)的能力，包括外泌体、微泡和凋亡小体。它们的组成很大程度上与它们来源的细胞中所含的成分相一致。生理学上，它们在调节生物功能、体内平衡和机体免疫反应中起重要作用。在体外MSCs上清液的培养中表明，其分泌组中包含的因子是MSCs在受损区域再生过程中发挥作用的主要原因，包括保护其他细胞免受凋亡、诱导其增殖、防止组织过度纤维化、刺激血管生成过程和免疫调节作用，以及诱导内源性干细胞分化。
间充质干细胞的分化潜能
如上所述，分化成三种类型细胞如骨细胞、软骨细胞和脂肪细胞的能力是MSCs的标准之一。
对于脂肪形成过程，它们主要是地塞米松、吲哚美辛、胰岛素和异丁基甲基黄质，用于软骨生成细胞需要在补充有胰岛素、转铁蛋白、硒、亚油酸、硒酸、丙酮酸盐、抗坏血酸磷酸盐、地塞米松和TGF-βIII的DMEM培养基中培养，反过来，在抗坏血酸、β-甘油磷酸和地塞米松的存在下诱导成骨。
许多文献报道表明，通过适当的因子处理，MSCs也可能是其他细胞类型的来源。
和在他们2006年的工作中提出了一个他们称为间充质的过程，其中MSCs也产生成肌细胞、骨髓基质细胞、成纤维细胞、共同产生身体结缔组织以及韧带和肌腱的细胞。
此外，体外研究已经使得从MSCs可以转分化为内胚层来源的肝细胞和胰岛β细胞。通过在补充了EGF、bFGF和烟酰胺的改良培养基中培养，在下一阶段添加制瘤素M、地塞米松、胰岛素、转铁蛋白和硒，分两个阶段从MSCs获得肝细胞。产生的细胞显示出肝细胞典型标记物的存在，如白蛋白、甲胎蛋白和肝细胞核因子4α(HNF-4α) 。通过用胰腺再生细胞分泌的生长因子的混合物以及通过使用、丁酸钠、牛磺酸和烟酰胺进行处理，从MSCs获得了能够产生胰岛素的β-细胞胰岛。
还有研究表明，用适当的因子刺激可以导致MSCs分化成从外胚层个体发育而来的细胞，例如神经元。
这些研究表明，在体外严格控制的条件下培养，经过多种化学物质和生长因子诱导，间充质干细胞能够转变成来自所有三个胚层的细胞。
间充质干细胞的分化潜能
MSC的未来
自从发现骨髓中不仅有造血细胞，还有那些能够形成结缔组织的细胞以来，半个多世纪已经过去了。随后的研究开始揭示这些细胞越来越令人着迷的特性，它们远远不止形成结缔组织。这一点，加上它们容易从各种组织中获得，使它们成为细胞生物医学上有吸引力的研究对象。
免疫调节特性、有助于各种组织的修复以及几乎任何类型细胞的分化潜能震惊了一大批科学家，使间充质干细胞成为再生医学的推动力，并开始在抗衰老、慢性疾病和肿瘤学中发挥越来越重要的作用。
诺贝尔生理学或医学奖获得者.教授曾表示， “我们可以把疾病进行控制，干细胞是一个非常好的治疗方法，在传统医学治疗无法解决的问题上，干细胞研究将带来新的希望。”
全球开展了大量使用间充质干细胞的临床试验，它们的数量每隔几年就会翻一番。目前，间充质干细胞临床试验已经超过1200项，用于治疗各种疾病。
国际上已有多个获得批准的干细胞治疗产品上市，诸如用于治疗急性移植物抗宿主病的产品，用于治疗克罗恩病的产品等。加拿大和新西兰的监管机构已批准异基因骨髓来源的间充质干细胞用于治疗儿童急性GVHD。韩国批准了以脐带血来源的间充质干细胞为基础的治疗退行性关节炎的产品以及自体脂肪组织衍生的间充质干细胞产品，用于治疗克罗恩病患者的肛瘘。印度批准了同种异体细胞治疗产品。
与任何其他治疗药物一样，间充质干细胞的生产加工必须按照现行的良好生产规范(cGMP)进行，并受到广泛的监管。
目前，全球有多种管理路径用于支持和监管间充质干细胞产品和技术的临床实施，间充质干细胞似乎正在成为一个强大的全球产业，随时准备应对现代医学在快速老龄化社会的适当护理和生活质量方面未得到满足的需求，这不仅影响了发达国家，也影响了人口众多的发展中国家。
总之，我们知道这是一个“滚雪球效应”，随着与MSC相关的新发现越来越多，就会益发刺激和推进MSC的临床应用，这将会导致一个新的医疗康复范式出现。
参考资料：
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