解密干细胞的三大机制之一：“多向分化”

干细胞是一种未充分分化、尚未成熟的细胞，具有再生多种组织和器官的潜力，医学上称之为“万用细胞”。

干细胞之所以被称为“万能细胞”，这依赖于干细胞的多向分化机制，干细胞拥有分化成为任何一个细胞的能力，通过分化成不同的细胞，继而可以组成各类器官和组织。

注：间充质干细胞分化成的不同细胞，组成了我们身体内的器官和组织

干细胞到底能变成哪些细胞？

我们的人体本身是由干细胞——胚胎干细胞产生的。

此外，在成年人中，干细胞每天都在分化成肌肉、骨骼、器官、神经和血液……可以说，没有干细胞，人体组织就无法修复。

MSCs 是目前应用最多的干细胞（MSCs）以多向分化为特征的细胞类型：

软骨细胞

间充质干细胞可以分化成软骨细胞，修复软骨磨损和其他关节损伤，从而减轻关节炎症。

如下图所示，苏木精&伊红染色显示间充质干细胞可以在体外渗透膜生物材料上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加，从单层到四层，然后依次增加。

肌腱细胞

间充质干细胞可以分化成肌腱细胞，修复肌腱组织，并作为新的生物材料治疗肌腱损伤、撕裂和其他疾病。

如下图所示，由肌腱转录因子 Scx（hMSC-Scx）刺激的 MSCs 可在体外分化为肌腱组织，在细胞形状、细胞分布和细胞数量上与正常肌腱祖细胞 hTSPC 非常相似。即使在分化 6 周后，来自间充质干细胞的肌腱细胞在肌腱延长方面具有更大的优势。图 A 显示了来自两个来源的肌腱的外观，图 B 显示了苏木精＆伊红染色下观察到的细胞核和细胞质形态，图 C 显示了细胞骨架的染色结果，图 D 显示了软骨细胞的染色结果。

肺细胞

间充质干细胞可以间接分化为肺芽细胞，然后进一步分化为气管和肺泡中的肺细胞，修复肺组织中受损细胞，改善呼吸，重塑健康。

如下图所示，图 A 是间充质干细胞在 3F 培养基（FGF7，GSK-3 抑制剂，RA）刺激和培养后分化为“类肺器官”的概念过程，图 B 是刺激后逐渐形成肺芽细胞的过程，图 C 检测分化的肺芽细胞表面的标记蛋白 Nkx2.1 和 Sox2。结果显示，如图 D 所示，分化的肺芽细胞没有干细胞标记物，其中近 97%是肺细胞的特征。

上皮细胞

间充质干细胞可以分化为上皮细胞和表皮组织，从而促进伤口愈合、深层皮肤修复和改善皮肤状况。

如下图所示，当在紫外线（UVB）照射小鼠造成皮肤损伤后，将间充质干细胞（ADSC）注入尾静脉 2-6 周时，小鼠上皮细胞表面的 P63、A6 整合素、CD34 蛋白等与间充质干细胞的共定位增强，提示间充质干细胞可促进小鼠皮肤损伤后上皮细胞的分化。

肝细胞

间充质干细胞可分化为肝细胞，有助于在急慢性肝损伤中恢复肝细胞活力，改善脂肪肝和肝纤维化状态，从而预防肝硬化甚至肝癌的发生。

如下图所示，图 A 列出了间充质干细胞在体外分化为肝细胞的步骤和条件，主要是一些因素的参与，如 Activin-A（人激活素 A）、BMP4、FGF 和 WNT 信号通路的激活。图 B 检测到分化后的细胞表面标志物，可以看出一些肝细胞的标签蛋白（HNF4A、AFP、AAT、ALB）的含量确实显著增加，这证明肝细胞确实分化，图 C 显示分化的肝细胞。

神经细胞

间充质干细胞可以分化为神经细胞，修复神经系统功能障碍，是治疗帕金森病等神经退行性疾病的最佳方式。

如下图所示，当间充质干细胞在特殊的“NDM（神经分化基质培养基）”中培养时，来自不同来源的 MSC 可以分化成具有神经突触形态的新细胞，这与原始梭形细胞不同。

血管内皮细胞

间充质干细胞可分化为血管内皮细胞，不断生长的血管可增加血管弹性和血管通透性，从而改善血管微循环，防止血管老化。

如下图所示，它记录了间充质干细胞在体外分化为血管的整个过程。3D 透视图显示了在 VEGF-A（血管内皮生长因子）、FGF-2（成纤维细胞生长因子）、BMP-4（骨形态发生蛋白）和 WNT 信号通路激活的刺激下，间充质干细胞从萌芽的新血管逐渐形成血管网络的能力。图 E 还显示了间充质干细胞分化失败的结果以供比较。

胰岛β细胞

间充质干细胞可分化为胰岛 β 细胞，可分泌唯一能智能调节和控制人类血糖稳定性的胰岛素，使 I 型糖尿病患者摆脱终身注射胰岛素的痛苦，完全治愈。

如下图所示，图 A 显示，当用 STZ（链脲菌素）成功构建 I 型糖尿病小鼠模型时，与正常小鼠相比，小鼠不能分泌胰岛素（绿色染色）。此时，如果将 MSCs（CO-transplantation）移植到 I 型糖尿病小鼠中，如图 B 所示，可以看出，在患病小鼠中胰岛素分泌能力恢复。

肾小球

间充质干细胞可以分化成肾小球，从而帮助身体过滤血液，定向修复肾细胞，缓解肾虚等症状。

如下图所示，与对照组相比，尾静脉输注间充质干细胞（ADR+MSCs）可使肾损伤大鼠肾小球管腔壁上层细胞、足细胞和内皮细胞再生，从而修复肾小球，恢复肾功能。

心肌细胞

间充质干细胞可分化为心肌细胞，促进心肌细胞内源性修复，改善心肌功能，治疗心肌缺血、心力衰竭等心脏病。

如下图所示，在体外成功观察到间充质干细胞对大鼠心肌细胞的再生和修复过程。在图中，蓝色 DAPI 染色代表细胞核，红色 aSarc 蛋白染色代表心肌细胞，红色 HuNu 蛋白染色代表间充质干细胞。图 A 显示了间充质干细胞的未分化状态，图 C 和图 D 显示了间质干细胞分化的开始，图 E 和图 F 显示了随着时间的推移越来越多的间充质干细胞分化为心肌细胞的状态。

多向分化机制能够帮助干细胞治疗哪些疾病

作为一项新兴的医疗技术，许多人对干细胞可以治疗哪些疾病的了解非常有限。事实上，干细胞广泛应用于临床应用，这也代表了未来医学发展的趋势。

目前，充分的科学研究已经证明，间充质干细胞可以通过一个种子的多向分化机制再生和修复多种细胞，其可用于改善或治疗心脑血管疾病、肾功能不全、I 型糖尿病、神经退行性疾病、肝功能不全皮肤损伤、肌腱损伤、骨关节炎等疾病。

相信随着医疗技术的不断发展，干细胞必将引发医疗改革，成为继药物和手术之后的第三种治疗。

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