骨骼是一種精密而活躍的器官，它由骨、軟骨、脂肪、成纖維細(xì)胞、神經(jīng)、血管和造血細(xì)胞的多種組織構(gòu)成，且具有一定的再生潛力。骨骼功能障礙可引發(fā)許多疾病，從骨質(zhì)疏松癥、骨關(guān)節(jié)炎等年齡相關(guān)的常見病，到非愈合性骨骼損傷、血液疾病，甚至癌癥都可能和骨骼問題有關(guān)。目前改善骨骼功能的相關(guān)治療方案仍十分有限，主要原因之一是我們對人類骨骼系統(tǒng)中的干細(xì)胞調(diào)節(jié)機(jī)制了解十分有限。
骨骼中的每種組織類型的產(chǎn)生和維持都離不開相應(yīng)干細(xì)胞的精確調(diào)節(jié)，這些干細(xì)胞具有分裂和分化產(chǎn)生不同細(xì)胞譜系的能力。其中，研究最透徹的是造血干細(xì)胞（hematopoietic stem cell，HSC），其具有典型的細(xì)胞表面蛋白組合，可在體外培育形成細(xì)胞群落，在體內(nèi)具有長期造血，即產(chǎn)生各類血細(xì)胞的功能。
骨骼組織中還可能存在另一些干細(xì)胞，作為非造血細(xì)胞系（如骨、軟骨、血管內(nèi)皮和基質(zhì)）的起源。長期以來，學(xué)界致力于在人類骨骼中鑒定出這些假設(shè)存在的干細(xì)胞，卻一直難以確定可靠的細(xì)胞表面標(biāo)志物、合適的組織解離方案和功能性干細(xì)胞試驗。最早，人們只能在培養(yǎng)基上培養(yǎng)分離出的骨骼“間質(zhì)干細(xì)胞（mesenchymal stem cells）”，它們由多種類型的干細(xì)胞組成，而不是最原始的骨骼干細(xì)胞（skeletal stem cell，SSC）。后來，骨骼干細(xì)胞上特定的表面蛋白陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)，它們在分化過程中表達(dá)出相應(yīng)的功能，CD146+細(xì)胞甚至可以在小鼠里重建出具有造血功能的人類小骨。然而，這些過去研究中表達(dá)標(biāo)記蛋白的細(xì)胞，在功能上終究是異質(zhì)性的，不能反映人類骨骼干細(xì)胞層級系統(tǒng)的實質(zhì)。
2015年，通過譜系追蹤和克隆分析等手段，科學(xué)家找到了小鼠骨骼干細(xì)胞（mouse SSCs，mSSCs）存在的證據(jù)【3-5】。最近，人類骨骼干細(xì)胞（human skeletal stem cell，hSSC）終于被首次鑒定，該工作于9月20日以Identification of the Human Skeletal Stem Cell為題發(fā)表在Cell雜志上，由斯坦福醫(yī)學(xué)Michael T. Longaker團(tuán)隊完成。這項工作主要包括hSSC的分離和相關(guān)功能檢驗、個體hSSC基因表達(dá)分析以及驅(qū)動骨骼發(fā)生過程的進(jìn)化趨同或趨異通路分析。
首先，研究發(fā)現(xiàn)了人類骨骼干細(xì)胞的發(fā)展層級。hSSC的標(biāo)志性蛋白由PDPN、CD146、CD73和CD164組成，純化出的PDPN+CD146-CD73+CD164+細(xì)胞群落，在體外具有自我更新的能力（該研究通過連續(xù)產(chǎn)生細(xì)胞群落形成單位（colony forming units，CFUs）的能力表征），在小鼠腎下移植，能夠線性地分化出含有骨、軟骨和基質(zhì)的多向性小骨（multilineage ossicles）：首先分化出早期骨、軟骨和基質(zhì)的祖細(xì)胞（hBCSP），接著是骨祖細(xì)胞（hOP）和軟骨祖細(xì)胞（hCP），最后才分化出骨骼、軟骨和基質(zhì)細(xì)胞。值得注意的是，hSSCs不會分化為脂肪細(xì)胞（表明脂肪細(xì)胞可能來源其他常駐的骨髓干細(xì)胞）。
通過新建立的人骨異種移植小鼠模型（將18周胎兒帶完整骨膜的指骨移植物移植到5日齡的免疫缺陷NSG小鼠中所得），研究者在相對可控的環(huán)境中評估了損傷對人體肢體骨骼的影響。研究發(fā)現(xiàn)，在急性骨骼損傷后，hSSCs會在損傷部位發(fā)生顯著的局部擴(kuò)張，這證明了hSSCs作為干細(xì)胞對骨骼損傷的再生反應(yīng)。
關(guān)于造血支持功能的試驗表明，hSSC分化出的基質(zhì)可以在無血清培養(yǎng)條件下維持人造血干細(xì)胞（hHSCs）的生長。研究者還發(fā)現(xiàn)了hSSCs和hSSC衍生細(xì)胞群能夠表達(dá)多種潛在的造血支持細(xì)胞因子，包括ANGPT1，CSF1，SDF，IL27，IL7和SCF；對應(yīng)的，hHSCs也表達(dá)了多種可能支持hSSC細(xì)胞系的因子，包括BMP2，BMP8A，DHH，F(xiàn)GF3，WNT1和WNT8。
第二，研究發(fā)現(xiàn)，hSSC及其下游分化細(xì)胞不僅可以從胎兒和成人的骨骼中成功分離，也能夠從BMP2處理的人脂肪基質(zhì)（BMP2-treated human adipose stroma，B-HAS）和誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（induced pluripotent stem cells，ipsC）中獲得。通過scRNA-seq定量分析，發(fā)現(xiàn)胎兒和成人的hSSCs分化時的基因表達(dá)存在差異，可以一定程度解釋不同來源hSSC形成的小骨中，軟骨和骨的比例不同的現(xiàn)象。
第三，該研究通過比較小鼠和與人類SSCs在轉(zhuǎn)錄組學(xué)和表觀遺傳學(xué)上的區(qū)別，發(fā)現(xiàn)了干細(xì)胞介導(dǎo)的骨骼形成在進(jìn)化上保守的調(diào)節(jié)通路，以及另一些趨異的分子通路，后者可能在骨骼發(fā)育中起到調(diào)節(jié)物種特異性的作用。
總的來說，通過對小鼠和人類SSC及其下游骨骼細(xì)胞譜系的鑒定，這項研究為我們描繪出干細(xì)胞介導(dǎo)的人體骨骼組織形成的細(xì)胞譜系圖，為未來研究骨骼形成、發(fā)育的遺傳和分子決定因素打下了基礎(chǔ)，推進(jìn)了骨骼疾病分子診斷和治療的發(fā)展，有利于緩解退行性、腫瘤性、創(chuàng)傷后或手術(shù)后的多種骨骼疾病給人類帶來的巨大醫(yī)療負(fù)擔(dān)。
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