骨髓間充質(zhì)干/基質(zhì)細(xì)胞（mscs）存在于骨髓中，具有高度的自我復(fù)制能力和多向分化潛能，可分化成多種細(xì)胞，是再生醫(yī)學(xué)中臨床上使用最多的干細(xì)胞之一。然而，間充質(zhì)干細(xì)胞在骨髓中僅有少量存在（約為兩百萬分之一），為了獲得所需數(shù)量的細(xì)胞，必須培養(yǎng)mscs才能擴增，但這會導(dǎo)致干細(xì)胞特性（干性）顯著降低，例如分化多能性和增殖能力。目前，旨在闡明msc自我更新和干性維持的分子機制的研究正在取得進展。然而，在維持干細(xì)胞干性的同時建立培養(yǎng)mscs的方法仍然具有挑戰(zhàn)性。如果能夠建立這樣的方法，mscs在臨床應(yīng)用中的使用將大大擴展。
骨髓中的間充質(zhì)細(xì)胞提供了一個稱為生態(tài)位（niche）的微環(huán)境，其中造血干細(xì)胞/祖細(xì)胞（hscs）的干性由各種因素維持，例如c-x-c基序趨化因子配體12（cxcl12）和透明質(zhì)酸。這些間充質(zhì)細(xì)胞被認(rèn)為對應(yīng)于巢蛋白陽性細(xì)胞、n-鈣黏蛋白陽性細(xì)胞、cd31陽性細(xì)胞和表達cxcl12的網(wǎng)狀細(xì)胞。zhong所zhou知，促血小板生成素（tpo）對巨核細(xì)胞生成至關(guān)重要，有助于hscs的維持和擴增。缺少tpo或其受體（c-mpl）的小鼠不僅顯示巨核生成受損，而且hsc數(shù)量和功能降低。最近的報道表明，需要tpo來維持骨髓內(nèi)hscs的靜息狀態(tài)。
細(xì)胞間相互作用在各個發(fā)育階段和組織穩(wěn)態(tài)維持中起著關(guān)鍵作用。在個體發(fā)育和器官發(fā)展過程中，不同胚層的細(xì)胞之間經(jīng)常觀察到這種相互作用。研究表明，從hscs到mscs的干性信號也存在，作為間充質(zhì)譜系hscs的干性信號的對應(yīng)物。因此，東京大學(xué)醫(yī)學(xué)部口腔頜面外科、東京醫(yī)科齒科大學(xué)齒學(xué)研究科以及德克薩斯大學(xué)休斯頓健康科學(xué)中心的聯(lián)合研究人員假設(shè)tpo / c-mpl信號對于從hscs到間充質(zhì)細(xì)胞的干性信號也很重要，在一項研究中，利用c-mpl缺失小鼠來檢測hscs和mscs中c-mpl缺失對其增殖能力和干性維持的影響。相關(guān)研究成果發(fā)表在 international journal of molecular sciences 期刊題為“hematopoietic-mesenchymal signals regulate the properties of mesenchymal stem cells”。
首先，為了驗證造血-間充質(zhì)細(xì)胞相互作用的存在，將表達egfp的小鼠骨髓來源的間充質(zhì)細(xì)胞（bm細(xì)胞）與人急性骨髓性白血病細(xì)胞（kg-1細(xì)胞系）共培養(yǎng)，然后計算了一段時間內(nèi)共培養(yǎng)的細(xì)胞數(shù)量，發(fā)現(xiàn)與kg-1細(xì)胞的直接共培養(yǎng)刺激了bm細(xì)胞的增殖。相比之下，間接共培養(yǎng)對bm細(xì)胞增殖影響不大（圖1 a、b）。kg-1細(xì)胞增殖不受與bm細(xì)胞共培養(yǎng)的影響（圖1 a、b）。
已知mscs 在體外培養(yǎng)過程中會經(jīng)歷加速分化。有和沒有與kg-1細(xì)胞共培養(yǎng)的細(xì)胞之間的形態(tài)無顯著差異（圖1 c）。因此，檢測了血小板衍生生長因子受體（pdgfr）α 和干細(xì)胞抗原-1（sca-1）以及msc特異性標(biāo)志物在小鼠中的表達。在與kg-1細(xì)胞共培養(yǎng)的細(xì)胞（bm細(xì)胞+ kg-1細(xì)胞）中表達pdgfr-α和sca-1的細(xì)胞比例明顯高于未與kg-1細(xì)胞共培養(yǎng)的細(xì)胞（bm細(xì)胞）（圖1 d）。然后進一步研究了共培養(yǎng)對多譜系分化能力的影響。共培養(yǎng)后誘導(dǎo)軟骨細(xì)胞分化，在bm細(xì)胞中觀察到sox9的表達（圖1 e）。這些數(shù)據(jù)表明，bm細(xì)胞與kg-1細(xì)胞的共培養(yǎng)可促進其增殖和軟骨細(xì)胞分化能力。
圖1 間充質(zhì)-造血細(xì)胞相互作用促進bm細(xì)胞增殖。
接下來，為了再次確認(rèn)造血-間充質(zhì)細(xì)胞相互作用對mscs的影響，實驗評估了與hscs共培養(yǎng)過程中msc特性的變化。結(jié)果表明，與hscs直接共培養(yǎng)促進了mscs的增殖，而間接共培養(yǎng)無影響。有趣的是，造血細(xì)胞顯示出細(xì)胞數(shù)量的顯著增加，特別是在在間接共培養(yǎng)過程中。然后檢測了它們在共培養(yǎng)增殖的間充質(zhì)和造血細(xì)胞中的比例，觀察到從第0天開始，msc標(biāo)記陽性細(xì)胞顯示出隨時間而略有增加的趨勢，而hscs細(xì)胞的數(shù)量在共培養(yǎng)后立即大幅下降。此外，還評估了mscs在共培養(yǎng)后的多能性，觀察到在誘導(dǎo)成骨、成脂和成軟骨分化后，各分化標(biāo)志物的表達上調(diào)。這些數(shù)據(jù)表明，直接間充質(zhì)-造血細(xì)胞相互作用促進了mscs的干性，而且從hscs 轉(zhuǎn)變到mscs 時存在一個信號。
為了更詳細(xì)地研究hsc信號對mscs的影響，使用微陣列分析檢查了與hscs共培養(yǎng)后mscs的基因表達譜。在msc和hsc共培養(yǎng)組和僅msc組（對照）中，觀察到轉(zhuǎn)錄因子的上調(diào)。這些mscs表達srcin1、bnc1和pck1。srcin1調(diào)節(jié)細(xì)胞擴增和遷移；bnc1參與卵母細(xì)胞成熟的正向調(diào)節(jié)，也可能在胚胎的早期發(fā)育中發(fā)揮作用；pck1通過其蛋白激酶活性調(diào)節(jié)脂肪生成?；诖耍琱scs可能具有維持mscs的未分化特性和代謝的潛力。此外，還分析了差異表達基因（degs）。然而，在對照組與共培養(yǎng)組之間未觀察到degs。然后進行了基因集富集分析（gsea）以檢測信號趨勢。對c2_curated基因集（標(biāo)志性基因集）進行分析的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，以下富集的基因存在顯著差異：“i型膠原蛋白合成”、“脂肪生成”、“wnt blocked by frizzled”和“h3k27me3”，這些基因在共培養(yǎng)的mscs中受到抑制。gsea分析結(jié)果支持hsc信號可能會影響msc特性。
據(jù)報道，mpl信號是維持hscs未分化狀態(tài)的直接機制之一。為了確定c-mpl缺失小鼠的干性信號對mscs的影響，分析了c-mpl敲除小鼠的細(xì)胞。首先，從c-mpl缺失和野生型小鼠中收獲mscs，以檢查hsc缺失對mscs的影響。在cfu-f測定中，c-mpl缺失小鼠來源的mscs顯示出與野生型小鼠細(xì)胞相當(dāng)?shù)募湫纬赡芰Γ▓D2 a、b）。當(dāng)收獲的細(xì)胞傳代培養(yǎng)時，兩種細(xì)胞類型之間的增殖能力或pdgfr-α/sca-1陽性細(xì)胞的比例沒有顯著差異（圖2 c、d）。此外，通過實時rt-pcr檢測mscs的多能性，驚訝的是，在c-mpl缺失小鼠來源的mscs中觀察到軟骨標(biāo)志物表達的顯著增加。雖然兩組之間成骨標(biāo)志物和成脂標(biāo)志物的表達沒有顯著差異，但這些標(biāo)志物在c-mpl缺失小鼠的mscs中往往更高（圖2 e-g）。這些結(jié)果表明，c-mpl缺失的mscs在體外表現(xiàn)出增強的分化活性。
圖2 c-mpl缺失的mscs具有正常的增殖和分化潛力。
然后，在體內(nèi)評估了來自c-mpl缺失和野生型小鼠的mscs的成骨特性，顯示c-mpl-wt和c-缺失的mscs在移植后早期出現(xiàn)骨形成。然而，c-mpl缺失小鼠來源的mscs比野生型mscs更早地促進骨形成。蘇木精和伊紅染色顯示第 2 周和 4 周均存在移植物。這說明，c-mpl 基因缺失影響異位骨的維持。
最后，為了研究hscs的干性與hscs到mscs的干性信號之間的關(guān)系，將野生型mscs與野生型小鼠hscs或c-mpl缺失小鼠的hscs共培養(yǎng)。與hscs共培養(yǎng)（c-mpl野生型（wt）和c-mpl敲除（ko））共培養(yǎng)后，mscs的集落形成能力不受c-mpl缺失的影響（圖3 a）。然而，與c-mpl缺失小鼠的hscs共培養(yǎng)未能刺激msc增殖（圖3 b）。在未共培養(yǎng)的mscs中，盡管sca-1和pdgfr-α陽性率在培養(yǎng)后立即下降，但從第0天到第6天幾乎保持不變（圖3 c）。在與野生型hscs共培養(yǎng)的野生型mscs中，盡管sca-1和pdgfr-α的陽性率從-2天到第0天暫時下降，但在第3天恢復(fù)并維持在40%左右（圖3 c）。然后，檢測了與c-mpl缺失或野生型小鼠hscs共培養(yǎng)的mscs的多能性。與c-mpl缺失小鼠的hscs共培養(yǎng)的mscs中成脂標(biāo)志物水平顯著更高，軟骨細(xì)胞分化標(biāo)志物的水平也更高。兩組成骨標(biāo)志物表達相似（圖3 d）。因此，可以認(rèn)為在hscs中，c-mpl會影響mscs增殖能力的維持。
圖3 hscs中的c-mpl調(diào)節(jié)msc的特性。
綜上所述，這項研究驗證了從造血細(xì)胞到間充質(zhì)細(xì)胞的干性信號。此外，這表明hscs的干性對于維持mscs的干性很重要。該研究結(jié)果可能有助于建立一種利用干性信號來擴增具有高干性的間充質(zhì)干細(xì)胞的培養(yǎng)方法，從而為再生醫(yī)學(xué)的發(fā)展做出貢獻。
參考文獻：kanazawa s, okada h, riu d, mabuchi y, akazawa c, iwata j, hoshi k, hikita a. hematopoietic-mesenchymal signals regulate the properties of mesenchymal stem cells. int j mol sci. 2022 jul 26;23(15):8238. doi: 10.3390/ijms23158238. pmid: 35897814; pmcid: pmc9330127.
原文鏈接：pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35897814/
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