成骨细胞转变成骨细胞的过程

4.1 间充质干细胞的特征

间充质干细胞（mesenchymal stem cells，MSCs）也叫骨髓基质细胞（marrow stromal cells），是一类由中胚层分化的多能干细胞，可以分化为成骨细胞、软骨细胞、脂肪细胞、肌细胞、内皮细胞、心肌细胞等。1970年，Frienden首先报道骨髓基质中存在非造血的干细胞群，通过培养皿培养全骨髓后移除非贴壁细胞后留下的贴壁细胞形态类似于纤维原细胞且能直接形成集落并且密集生长，起初研究发现MSCs具有在微环境中对造血起重要支持作用，后来由于发现其在骨骼系统中作为前体细胞而受到重视。Frienden和他的同事首先证明了骨髓基质中提取的MSCs具有成骨潜能并且具有干性，MSCs是骨骼组织（包括骨和软骨）的干细胞。研究表明，MSCs在自然状态下有自我更新和多能分化的能力，也就是说MSCs可以扩增并且形成离散的集落和未分化的细胞。然而MSCs在骨髓中所占比例很低，大约只占全骨髓细胞总数的0.001%～0.1%。MSCs可以被表面抗原/标记所识别，表达表面标记，如CD29、CD44、CD73、CD105、CD166，并且对造血细胞标记显示阴性。

MSCs成骨分化为成骨细胞，这个过程开始于骨先质细胞，随后分化为前成骨细胞，再发展为成熟成骨细胞，最后成熟的成骨细胞会变成类骨样的骨细胞。MSCs发展为成熟成骨细胞的过程分为增殖、成熟、基质合成、基质矿化。

4.2 间充质干细胞分化的分子机制

细胞分子层面上，成骨细胞分化需要表达关键转录因子——Runx2（Runt-relatedtran-scription factor 2），然而Runx2的表达不是成骨细胞成熟过程中必需的，因为存在其他转录因子和细胞外信号。MSC成骨分化或者成脂分化命运取决于一系列信号通路和转录因子，通过BMP-2、BMP-7和Wnt通路表达成骨转录因子Runx2和Osx。大量实验证据显示存在成骨、成脂之间的负相关调控，主要实验结果证实，当体外培养MSCs上调成骨分化时伴随成脂分化下调，信号级联反应正调控成骨、成脂分化。与临床关系最密切的例子是骨形成蛋白（BMPs），BMP-2和BMP-7在骨科得到应用。大多数BMPs促进MSCs成骨分化，但是也有成脂影响。类胰岛素生长因子（IGF）通路同样兼有成骨/成脂作用。PPARγ和Runx2是调控MSCs成骨、成脂分化的关键转录因子。PPARγ通常被认为是调节成脂的关键因子，同时也有抗成骨作用。MSCs成骨或成脂分化很大程度上是由多种细胞因子调节作用的，通常两者之间是此消彼长的关系。除此之外，也有其他的重要转录因子独立于或联合Runx2、PPARγ发挥调控作用，如Osterix和C/EBPs（CCAAT/enhancer-binding family of proteins）。

关于成骨分化，Runx2作为多个信号通路的靶基因激活和调节成骨，已有研究信号通路包括但不仅限于TGF-β1（transforming growth factor-beta1）、BMP（bone morphogenetic pro-tein）、Wnt（wingless）、HH（hedgehog）、NELL-1（nel-like protein type 1）。纯和突变Runx2-/-小鼠不存在成骨细胞、骨分化，出生后不久即死亡。这种Runx2敲除小鼠不能通过其他成骨因子过表达补救，尽管Runx2+/-颅骨锁骨发育不良小鼠可以被部分地补救。传统观点认为Wnt通路对细胞命运决定、增殖、分化起重要作用，调节异常/超活化Wnt通路和许多疾病有关联，Wnt通路通过经典（β-catenin dependent）和非经典（β-catenin independent）通路参与成骨、抗成脂活动。

4.3 间充质干细胞与骨质疏松

老年性骨质疏松症与组织内MSCs缺乏有关，MSCs下降导致骨形成减少、骨量丢失、骨微环境破坏影响骨小梁力量，MSCs丢失的低转换状态使低质量骨无法参与重塑（调节和维护）替换衰老破坏的骨和其他组织。老年相关MSCs成骨缺乏在骨质疏松发生中起重要作用，机械负荷是成骨分化的重要刺激。在应力作用下，成年小鼠MSCs中超氧化物歧化酶（SOD1）减少，导致过多ROS产生，使用抗氧化剂则促进MSCs成骨分化。组织衰老伴随干细胞数量减少，影响更新、细胞衰老、凋亡、成熟分化。尽管有人认为衰老的MSCs和年轻的MSCs没有太大差别，然而也有研究发现，老年病例、动物模型中MSCs与未成熟病例、动物模型中MSCs有不同之处。MSCs衰老体现在骨髓MSCs数量减少，成脂分化增强。老年骨质疏松性骨折患者中衰老对脂肪分化MSCs的影响小于骨髓分化MSCs。骨髓脂肪增加使老年动物模型和人类脂肪看起来变黄。MSCs衰老影响强于成骨细胞和骨细胞的作用，导致骨形成减少，发展为骨质疏松症。

4.4 间充质干细胞治疗骨质疏松前景

MSCs替代来源包括几乎所有血管组织、脐带血、牙龈，血管周MSCs的概念越来越受到重视。人脂肪来源基质细胞（hASC）有作为组织工程学应用的潜能在临床前期动物实验中获得证明。使用外源性MSCs注射入老年性骨质疏松症动物模型有长期存活率并显著增加骨形成，促进骨质量、骨转换指标、骨微结构完整性。MSCs移植可能是预防、治疗老年性骨质疏松症的新方法。近期研究使用人造高亲和性拟肽类配合基（LLP2A）将MSCs粘连在一种双磷酸盐（Ale）整合蛋白α4β1表面，使之与骨表面紧密结合。体外实验LLP2A-Ale诱导MSCs迁移成骨分化，在异种器官抑制和免疫活性小鼠LLP2A-Ale增加骨小梁形成和骨质量。此外，骨量达到峰值后或者雌激素缺乏情况下，LLP2A-Ale能预防骨小梁骨量丢失，这为MSC促进新骨生成、增加骨力量提供了新的可能的治疗思路。

（袁晔）