【干细胞基础知识】干细胞的多向分化机制

什么是多向分化？

多向分化是指干细胞在特定的生物学条件和信号作用下，能够向不同类型的细胞分化的能力。干细胞具有自我更新和多向分化的潜力，能够分化成多种不同类型的细胞。根据分化潜能的不同，干细胞可以分为单能干细胞、多能干细胞和全能干细胞。

干细胞怎么实现多向分化？

干细胞实现多向分化的策略可以归结为两大途径：一是自然发生的自发分化，二是通过人为干预的诱导分化。

自发分化是一种自然而然的过程，干细胞在特定的培养环境中，无需外界额外刺激，便能自发地转化为不同的细胞类型。

而诱导分化则是一种更加可控和有针对性的方法。通过精心添加的化学物质、调节激素水平或利用基因编辑技术，研究人员能够精准地引导干细胞向特定的细胞类型分化。目前，这种诱导分化的方式在干细胞研究领域得到了广泛的应用，成为实现干细胞多向分化的主流策略。

能分化成人体哪些细胞？

其实间充质干细胞（MSCs）已经在多个领域展示了其巨大的应用潜力。我们来看看间充质干细胞多向分化能形成的几个主要细胞类型：

胰岛β细胞

它们具备分化为胰岛β细胞的能力。胰岛β细胞是体内一种至关重要的细胞，它专门负责分泌胰岛素，这是一种能够智能调控人体血糖水平的关键激素。

对于I型糖尿病患者而言，由于胰岛β细胞的损伤或缺失，他们不得不依赖定期注射胰岛素来维持血糖稳定，这无疑给他们带来了极大的生活负担。

然而，随着干细胞研究的深入，间充质干细胞为这些患者带来了希望。在最新的研究中，科研人员利用链脲菌素（STZ）成功构建了I型糖尿病小鼠模型。与正常小鼠相比，这些疾病模型小鼠的胰岛β细胞受损，无法分泌胰岛素（绿色染色缺失）。

随后，研究人员为这些疾病小鼠移植了间充质干细胞（MSCs）。令人欣喜的是，经过移植后，疾病小鼠的胰岛β细胞功能得到了恢复，它们开始分泌胰岛素，从而有望减缓I型糖尿病患者依赖胰岛素注射的痛苦。

如示意图所示，通过移植间充质干细胞，I型糖尿病小鼠的胰岛β细胞功能得到了显著改善，这为未来的糖尿病治疗提供了新的策略和可能性。

血管内皮细胞

间充质干细胞可以分化为血管内皮细胞，不断新生的血管能够增加血管弹性和血管通透性，从而改善血管微循环，预防血管老化。

如下图所示，是间充质干细胞在体外分化为血管的全过程记录，3D的视角展现了间充质干细胞在VEGF-A（血管内皮生长因子）、FGF-2（成纤维细胞生长因子）、BMP-4（骨形成蛋白）的刺激以及WNT信号通路激活下，由萌芽新生血管逐渐形成血管网络的能力。而图e也显示了间充质干细胞分化失败的结果，以作对比。

上皮细胞

间充质干细胞可以分化为上皮细胞、表皮组织，从而促进伤口愈合，深层肌肤修复，改善皮肤状态等。

如下图所示，当用紫外线（UVB）照射小鼠造成皮肤损伤之后，尾静脉输注间充质干细胞（ADSC）2-6周时，小鼠上皮细胞的表面标签P63，a6整合素，CD34蛋白等和间充质干细胞的共定位增强，提示间充质干细胞在小鼠皮肤损伤之后，会促进上皮细胞方向的分化。

肌腱细胞

间充质干细胞可以分化为肌腱细胞，修复肌腱组织，作为新兴生物材料治疗肌腱损伤、撕裂等疾病。

如下图所示，间充质干细胞在肌腱转录因子Scx的刺激下（hMSC-Scx），可以在体外分化为与正常肌腱祖细胞hTSPC相比，无论在细胞外形、组织内细胞分布、细胞数量等都十分相似的肌腱组织，甚至在分化6周后，间充质干细胞来源的肌腱细胞，在肌腱延长性方面的优势更大。图A是两种来源肌腱的外观，图B是苏木精&伊红染色下观察的细胞核与细胞质形态，图C是细胞骨架的染色结果，图D是软骨细胞的染色结果。

软骨细胞

间充质干细胞可以分化为软骨细胞，修复软骨磨损等关节损伤，从而缓解关节炎症。

如下图所示，苏木精&伊红染色显示间充质干细胞在渗透膜生物材料上，可以体外逐渐分化为软骨细胞，随着分化的推进，软骨组织的细胞厚度逐渐增多，由单层（single layer），变为四层（quadruple layer），再依次增多。

写在文末

在未来，科学家们将继续探索干细胞多向分化的机制，并开发出更有效的方法来控制干细胞的分化，研究更多种类的干细胞，以及如何使用它们来治疗更多种类的疾病。尽管干细胞多向分化技术仍面临着许多挑战，但是在未来，它仍将是一个非常有前途的领域，值得我们继续研究和探索。