代磊
黄梅县中医院 湖北 黄冈 435500
摘要：干细胞结合替代材料修复骨科组织缺损具有良好的应用前景，其中诱导多能干细胞有着比其他干细胞更优的来源及细胞特性，已成为干细胞领域的研究热点，诱导多能干细胞的研究历史、制备方法、细胞特性及目前在骨科领域的研究进展。利用计算机检索中国知网、PubMed等数据库1999至2014年间关于诱导多能干细胞及其应用于骨科领域研究的文献，选取具有代表性、创新性的研究成果进行内容论证，研究表明诱导性多能干细胞在骨组织修复工程中表现出了相当有应用前景的优势，诱导性多能干细胞与各种支架材料都有着良好的相容性，在不同的支架中都保持着良好的成骨分化潜能。
关键词：干细胞；诱导；诱导多能干细胞；组织修复再生；骨；软骨；肌腱
1.诱导多能干细胞
1.1诱导性多能干细胞研究历史
早在2006年，Chen等已经通过筛选小分子化合物发现一种具有维持小鼠胚胎干细胞全能性的嘧啶类化合物，并将其命名为“Pluripotin”，2013年，Li等进一步使用高通量筛选，从上万种小分子化合物中鉴定出一种由7种小分子化合物组成的组合，此组合能够让小鼠体细胞产生多能性干细胞，制备效率与基因整合技术相当，约为0.2%。随后，Hou等筛选出另外7种小分子化合物组合同样可以高效地诱导小鼠体细胞产生多能性干细胞，他们将这种多能性干细胞称作化学诱导多能干细胞。
1.2诱导性多能干细胞生物学特性
各项研究表明，在特定的基因或蛋白表达形式、倍增时间、染色体甲基化形式、胚状体形成、畸胎瘤形成、多能性及分化能力等方面，诱导性多能干细胞与胚胎干细胞在许多方面有着诸多相似之处。表面标记诱导性多能干细胞表达包括
SSEA-3、SSEA-4、肿瘤相关抗原(TRA-1-60、TRA-1-81、TRA-2-49/6E)以及NANOG蛋白在内的胚胎干细胞特异性表面抗原。荧光定量PCR检测表明诱导性多能干细胞表达多种未分化胚胎干细胞标志基因，相应基因的表达蛋白产物也与胚胎干细胞有着高度的一致性。
2.诱导多能干细胞在骨再生中的应用
2.1 诱导多能干细胞的成骨分化机制
近年来多数促诱导多能干细胞分化的技术都是参照以往胚胎干细胞的研究，常常强调寻找适当的因子促进诱导多能干细胞的分化，然而促进诱导多能干细胞成骨分化的分化模式和分子机制目前还未明确。
2.1.1 细胞因子和小分子化合物在成骨分化中的作用
成骨分化的媒介包括牛胎儿血清、维生素C、甘油磷酸和地塞米松，有时会加入特定的骨形态蛋白或者维生素D3。研究证实加入骨形态蛋白-2能够促进骨髓间充质干细胞的成骨分化和成软骨分化，最近的实验发现骨形态蛋白-2不仅仅能够促进骨髓间充质干细胞的分化，对多能干细胞的成骨分化亦有作用。研究表明，不同的细胞因子对诱导多能干细胞的作用不同，TGF-β不仅能够促进诱导多能干细胞增生，还能增强细胞的成骨分化能力。Li和Niyibizi[13]将TGF-β1和TGF-β3因子与维甲酸混合应用到诱导多能干细胞的分化中，发现成骨分化的效率更高。
2.1.2 转录因子和微小RNA（miRNA）在分化中的作用
研究者发现以腺病毒为载体将Runx2导入体细胞中能够增加诱导多能干细胞的成骨分化，含有Runx2因子的诱导多能干细胞分化产物中碱性磷酸酶水平比不含有Runx2因子时增加了50%。
miRNA技术在诱导成骨中也起了很大的作用，研究表明多种miRNA能够影响干细胞的成骨分化。Okamoto等[16]发现miR-124a、miR-181a、miR-10a、miR-10b、miR-9-3p和miR-19b等6种miRNA在小鼠诱导多能干细胞的成骨分化中发挥重要作用，实验中BMP-4诱导的成骨分化与miRNA的作用密切相关，后者可通过抑制目标基因的表达来调节BMP-4成骨分化的通路。
2.2 诱导多能干细胞在骨再生中的应用
2.2.1 成骨不全症
成骨不全症是一种基因病，主要由I型胶原基因显性突变引起，骨髓间充质干细胞移植治疗一度被认为是治疗成骨不全症的有效方法。Horwitz等以6例患有成骨不全症的儿童为研究对象，发现输注了异体骨髓间充质干细胞的患儿的成长速度显著加快。患者骨髓间充质干细胞源性的诱导多能干细胞可以分化为诱导多能干细胞系骨髓间充质干细胞，这种干细胞可以表达正常的I型胶原，并且这种干细胞充满活力，相比骨髓间充质干细胞拥有更高的增殖效率。将诱导多能干细胞源细胞和目标基因结合在一起是治疗基因病的一种有前景的方法，因此如何选择针对特定疾病的诱导多能干细胞源细胞值得进一步研究，必须确保这种细胞在移植过程中安全高效。
2.2.2 马方综合征
马方综合征是由于原纤维蛋白-1基因突变引起的，这一基因与TGF-β信号通路有关。一组研究发现马方综合征来源的诱导多能干细胞能够抑制成骨形成，通过激活TGF-β信号通路抑制干细胞的成骨分化，相反，抑制TGF-β信号通路后干细胞的分化能力可得到恢复[21]。TGF-β信号通路和BMP通路相互串联，在强化TGF-β信号通路表达的同时，可降低内源性骨形成蛋白通路的表达。但是也有研究发现激活外源性BMP-2通路能够增强干细胞成骨分化潜能。
2.2.3 骨质疏松症
骨质疏松症是老年人中普遍存在的问题，补充钙和维生素D能够延缓和治疗骨质疏松。很多实验证明维生素D能够减少骨质疏松的发生，但它在骨细胞中的具体作用机制尚未明确。Kato等采用诱导多能干细胞来源的骨细胞分析维生素D对骨细胞作用，结果表明加入维生素D的诱导多能干细胞的骨祖细胞成骨细胞形成加快。
2.2.4 类风湿性骨关节炎
类风湿性关节炎受自身免疫机制的影响，会发生慢性炎症、软骨组织侵袭、骨质破坏等现象。类风湿性关节炎源性诱导多能干细胞不仅能逃过机体的免疫排斥作用，还能分化成软骨细胞和骨细胞，在再生医疗中具有广阔的应用前景。Lee等将包含Oct4、Sox2、Klf4和c-Myc重编码因子的慢病毒载体导入到类风湿性关节炎的成纤维滑膜样细胞形成诱导多能干细胞，再通过免疫组织化学染色和实时定量PCR来研究这种诱导多能干细胞的特性，发现该细胞外形与胚胎干细胞类似，并且能够分化为成骨细胞。
3.总结
综上所述，诱导性多能干细胞在组织工程中有着巨大的优势，可以从成人体细胞中重编程得到，虽在一定程度上克服了临床应用的相关伦理问题及异体细胞移植带来的排斥反应等问题，但制备效率较低。就目前研究的阶段性成果看来，小分子化合物的诱导方法克服了第1代核移植制备法的伦理问题，也克服了第2代病毒载体诱导方法的潜在感染风险，可成为下一步研究的重点关注方向，但如何从数量巨大的化合物中筛选出更少数量、更直接高效，同时提高成骨、成软骨、成肌腱分化效率的组合，研究之路任重而道远。
参考文献：
[1]赵俐菁. 诱导多能干细胞株的建立及过表达抗凋亡基因Bcl-2的iPSCs构建[D].浙江大学,2016.
[2]何瑞轩,赵亮.诱导多能干细胞在骨外科组织再生修复中:如何尽快实现临床应用?[J].中国组织工程研究,2015,19(23):3761-3767.
姓名：代磊，1981-1,?男,党员，黄梅县中医院，骨伤科主治医师，研究方向：骨与关节，运动医学。代磊。主治医师，地址：湖北省黄梅县黄梅镇人民大道262号。