骨骼是一種精密而活躍的器官，它由骨、軟骨、脂肪、成纖維細胞、神經(jīng)、血管和造血細胞的多種組織構成，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)節炎等年齡相關(guān)的常見(jiàn)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(wèn)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(lèi)骨骼系統中的干細胞調節機制了解十分有限。
骨骼中的每種組織類(lèi)型的產(chǎn)生和維持都離不開(kāi)相應干細胞的精確調節，這些干細胞具有分裂和分化產(chǎn)生不同細胞譜系的能力。其中，研究最透徹的是造血干細胞（hematopoietic stem cell，HSC），其具有典型的細胞表面蛋白組合，可在體外培育形成細胞群落，在體內具有長(cháng)期造血，即產(chǎn)生各類(lèi)血細胞的功能。
骨骼組織中還可能存在另一些干細胞，作為非造血細胞系（如骨、軟骨、血管內皮和基質(zhì)）的起源。長(cháng)期以來(lái)，學(xué)界致力于在人類(lèi)骨骼中鑒定出這些假設存在的干細胞，卻一直難以確定可靠的細胞表面標志物、合適的組織解離方案和功能性干細胞試驗。最早，人們只能在培養基上培養分離出的骨骼“間質(zhì)干細胞（mesenchymal stem cells）”，它們由多種類(lèi)型的干細胞組成，而不是最原始的骨骼干細胞（skeletal stem cell，SSC）。后來(lái)，骨骼干細胞上特定的表面蛋白陸續被發(fā)現，它們在分化過(guò)程中表達出相應的功能，CD146+細胞甚至可以在小鼠里重建出具有造血功能的人類(lèi)小骨。然而，這些過(guò)去研究中表達標記蛋白的細胞，在功能上終究是異質(zhì)性的，不能反映人類(lèi)骨骼干細胞層級系統的實(shí)質(zhì)。
2015年，通過(guò)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胞（mouse SSCs，mSSCs）存在的證據【3-5】。最近，人類(lèi)骨骼干細胞（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，由斯坦福醫學(xué)Michael T. Longaker團隊完成。這項工作主要包括hSSC的分離和相關(guān)功能檢驗、個(gè)體hSSC基因表達分析以及驅動(dòng)骨骼發(fā)生過(guò)程的進(jìn)化趨同或趨異通路分析。
首先，研究發(fā)現了人類(lèi)骨骼干細胞的發(fā)展層級。hSSC的標志性蛋白由PDPN、CD146、CD73和CD164組成，純化出的PDPN+CD146-CD73+CD164+細胞群落，在體外具有自我更新的能力（該研究通過(guò)連續產(chǎn)生細胞群落形成單位（colony forming units，CFUs）的能力表征），在小鼠腎下移植，能夠線(xiàn)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)的祖細胞（hBCSP），接著(zhù)是骨祖細胞（hOP）和軟骨祖細胞（hCP），最后才分化出骨骼、軟骨和基質(zhì)細胞。值得注意的是，hSSCs不會(huì )分化為脂肪細胞（表明脂肪細胞可能來(lái)源其他常駐的骨髓干細胞）。
通過(guò)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，在急性骨骼損傷后，hSSCs會(huì )在損傷部位發(fā)生顯著(zhù)的局部擴張，這證明了hSSCs作為干細胞對骨骼損傷的再生反應。
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(wú)血清培養條件下維持人造血干細胞（hHSCs）的生長(cháng)。研究者還發(fā)現了hSSCs和hSSC衍生細胞群能夠表達多種潛在的造血支持細胞因子，包括ANGPT1，CSF1，SDF，IL27，IL7和SCF；對應的，hHSCs也表達了多種可能支持hSSC細胞系的因子，包括BMP2，BMP8A，DHH，FGF3，WNT1和WNT8。
第二，研究發(fā)現，hSSC及其下游分化細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）和誘導多能干細胞（induced pluripotent stem cells，ipsC）中獲得。通過(guò)scRNA-seq定量分析，發(fā)現胎兒和成人的hSSCs分化時(shí)的基因表達存在差異，可以一定程度解釋不同來(lái)源hSSC形成的小骨中，軟骨和骨的比例不同的現象。
第三，該研究通過(guò)比較小鼠和與人類(lèi)SSCs在轉錄組學(xué)和表觀(guān)遺傳學(xué)上的區別，發(fā)現了干細胞介導的骨骼形成在進(jìn)化上保守的調節通路，以及另一些趨異的分子通路，后者可能在骨骼發(fā)育中起到調節物種特異性的作用。
總的來(lái)說(shuō)，通過(guò)對小鼠和人類(lèi)SSC及其下游骨骼細胞譜系的鑒定，這項研究為我們描繪出干細胞介導的人體骨骼組織形成的細胞譜系圖，為未來(lái)研究骨骼形成、發(fā)育的遺傳和分子決定因素打下了基礎，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(lèi)帶來(lái)的巨大醫療負擔。
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