研究发现了能在人体中产生新骨和软骨的干细胞

斯坦福大学医学院的科学家们领导了长达十年的努力，终于发现了人类骨骼干细胞。

这种细胞可以从人的骨骼中分离出来，也可以从脂肪中的特殊细胞中生成，它产生的祖细胞可以制造新的骨骼、骨骼内部的海绵状基质和软骨，帮助我们的膝盖和其他关节平稳、无痛地运作。

这一发现使研究人员得以创建一种干细胞的族谱，这些干细胞对人类骨骼的发育和维护非常重要。它还可以为人类骨骼和软骨再生的治疗铺平道路。

“儿童和成人每天都需要正常的骨骼、软骨和基质组织，”整形和重建外科教授、医学博士迈克尔·朗格(Michael Longaker)说。例如，有7500万美国人患有关节炎。想象一下，如果我们可以将抽脂术中现成的脂肪细胞转化为干细胞，注入到他们的关节中制造新的软骨，或者我们可以刺激新骨的形成来修复老年人的骨折。”

一篇描述这一发现的论文将于9月20日在网上发表，该论文是继2015年同一小组发现老鼠骨骼干细胞之后的细胞．

Longaker，医学院dean P.和Louise Mitchell教授，斯坦福干细胞生物学和再生医学研究所的联合主任，是本文的资深作者。主要作者是外科助理教授Charles K.F. Chan博士;医学博士，医学院学生Gunsagar Gulati;Rahul Sinha博士，干细胞生物学和再生医学讲师;以及研究助理贾斯汀·文森特·汤普金斯。

“真实的，多潜能的，自我更新的”

骨骼干细胞不同于另一种细胞类型，称为间充质干细胞，间充质干细胞可以生成骨骼组织、脂肪和肌肉。间充质干细胞可以从血液、骨髓或脂肪中分离出来，被一些临床医生认为具有万能干细胞的功能。它们已经在临床试验和未经证实的实验治疗中获得了有限的成功，以证明它们能够再生各种组织。最近，佛罗里达州的三名老年患者在将脂肪间充质干细胞注射到眼睛中作为黄斑变性的实验性治疗后，失明或丧失了大部分视力。

Chan说:“间充质干细胞的特征比较松散，可能包括许多细胞群，每个细胞群对分化信号的反应可能不同且不可预测。”“相比之下，我们已经确定的骨骼干细胞拥有真正的、多能的、自我更新的、组织特异性干细胞的所有特征。就它们的命运潜力而言，它们被限制在骨骼组织，这可能会使它们更有临床价值。”

骨骼再生对于任何骨性动物来说都是一项重要的能力，因为在这个混乱的世界中，只有最健康的，或者愈合最快的，才有可能存活很长时间直到成年。一些脊椎动物，如蝾螈，在必要时可以再生整个肢体，但其他动物，如老鼠和人类的愈合能力就比较有限了。尽管人类通常可以很好地愈合骨折，但随着年龄的增长，他们开始失去一些这种能力。而且他们完全无法再生随着年龄或重复使用而磨损的软骨。研究人员想知道骨骼干细胞是否可以用于临床，以帮助替换受损或缺失的骨骼或软骨，但一直很难确定。

成体干细胞谱系受限

与只存在于发育早期阶段的胚胎干细胞不同，成体干细胞被认为存在于所有主要组织类型中，它们等待时机，直到需要修复损伤或创伤。每个成体干细胞都有谱系限制，也就是说，它产生的祖细胞只产生组织中自然产生的细胞类型。对于我们的骨骼来说，这意味着制造骨骼、软骨和基质的细胞。

陈、朗格和他们的同事曾希望利用他们从识别小鼠骨骼干细胞中学到的知识，快速分离出与之对应的人类骨骼干细胞。但事实证明，这次探索比他们预期的要困难得多。大多数细胞分离的努力都集中在使用一种叫做荧光激活细胞分选的技术，根据细胞表面蛋白质的表达来分离细胞。通常，来自不同物种的相似细胞类型共享一些关键的细胞表面标记。

但人类骨骼干细胞与老鼠的同类细胞几乎没有相同的标记。相反，研究人员必须将小鼠骨骼干细胞的基因表达谱与在发育中的人类骨骼生长末端发现的几种人类细胞类型的基因表达谱进行比较。通过这样做，他们能够识别出一个细胞群，该细胞群产生了许多与小鼠骨骼干细胞相同的蛋白质。然后，他们反向工作，在人类细胞表面识别标记，可以用于分离和研究他们作为一个纯粹的群体。

Longaker说:“这是一个相当大的生物信息学挑战，它需要一个跨学科研究人员组成的大团队，但最终Chuck和他的同事们能够识别出一系列我们认为具有巨大潜力的标记。”“然后他们必须证明两件事:这些细胞能否自我更新，或者无限期地自我繁殖，以及它们能否形成构成人类骨架的三个主要血统?”

研究人员表明，他们发现的人类骨骼干细胞既能自我更新，又能制造骨骼、软骨和基质祖细胞。它出现在正在发育的骨骼的末端，在骨折愈合处附近也越来越多。它不仅可以从骨折部位分离出来，还可以通过重编程人类脂肪细胞或诱导多能干细胞来产生，以承担骨骼的命运。

“完美的细分市场”

有趣的是，骨骼干细胞还为人类造血干细胞的生长提供了一个培养环境，而不需要血清中发现的额外生长因子。造血干细胞是骨髓中产生血液和免疫系统的细胞。

“造血干细胞喜欢海绵骨的内部，”陈说。“这对他们来说是完美的细分市场。我们发现由骨骼干细胞产生的基质细胞群可以保持造血干细胞细胞在没有血清的情况下活了两周。”

通过研究人类骨骼干细胞的分化潜力，研究人员能够构建一个家族树干细胞为进一步研究潜在的临床应用奠定基础。了解小鼠和人类骨骼干细胞之间的异同，也可能解开骨骼形成和区分小鼠和人类骨骼的内在特性的谜团。

Longaker说:“现在我们可以开始理解为什么人类的骨头比老鼠的密度大，或者为什么人类的骨头长得这么大。”

特别是，研究人员发现，人类骨骼干细胞表达的基因在已知的Wnt信号通路中活跃骨形成，而小鼠骨骼干细胞没有。

然而，研究人员的最终目标是找到一种将人体骨骼干细胞用于临床的方法。Longaker设想未来关节镜——一种将微型相机或外科器械或两者都插入关节内以观察和治疗受损软骨的微创手术——可能包括注射一种专门限制生成新软骨的骨骼干细胞软骨例如。

“我希望，在未来十年左右的时间里，这种细胞来源将成为关节镜和再生医学领域的游戏规则改变者，”Longaker说。“美国人口老龄化迅速，每年要进行近200万例关节置换手术。如果我们能将这种干细胞用于相对非侵入性的治疗，这可能是一个梦想成真。”