JMT日本干细胞-骨再生医疗①
点击量：167 日期：2021-05-28 15:12 编辑：JMT日本医疗
引言
我们体内存在被称为间充质干细胞的干细胞。是否可以在试管或培养皿中培养和增殖这些干细胞，并利用培养的细胞在体外形成骨组织？另外，如果可以的话，通过培养的骨组织在生物体内也能发挥正常骨的功能吗?如果这些事情得以实现，就可以人为地制造骨组织，应用于各种骨病，也就是骨再生治疗。我们从20多年前开始，就为了回答这样的命题而进行了研究。本文以我们的研究为基础，对骨再生的方法论进行了概略，并对最近的技术开发和今后的发展进行了论述。
1．骨的构造和生成
1-1. 骨构造
在讨论细胞成骨之前，先说说骨的构造。骨也和其他组织一样，由细胞成分和细胞外基质成分构成。但是，与其他组织不同，细胞外基质被称为骨基质，其基质中含有大量磷酸钙的结晶，即羟基磷灰石。这种结晶使骨头保持硬度。另外，骨基质中作为生物大分子，以I型胶原蛋白为主的蛋白质中也存在着粘多糖类。作为细胞成分，骨基质的表面存在着起到骨形成作用的成骨细胞，骨基质内部存在着骨细胞。成骨细胞的细胞表面呈高碱性磷酸酶(ALP)活性，ALP在成骨过程中起着重要作用。在生物体内，骨组织旧的部分经常被新的部分替换。这一现状被称为重建，由旧骨的破坏即骨吸收和随后的骨形成构成。由于这个现象，我们身体的骨量(骨量)保持着恒常性。也就是说，骨组织具有内因生的骨再生能力。实际上，很多骨折可以通过石膏等保守治疗来治愈。但是，当大范围的骨缺损或生物亲和性低的医疗材料埋植到骨内时，由于内在性的骨再生能力不足，可以考虑骨再生技术。
1-2. 骨形成过程及与该过程相关细胞
胎儿时期的骨骼形成过程有两种形式。即软骨性骨化(endochondral ossification)和膜性骨化(membranous ossification)。前者是先形成软骨组织，然后血管进入软骨组织，最后被骨组织置换的复杂过程。后者是未分化的细胞分化成成骨细胞，由该成骨细胞形成骨的过程中没有软骨的形成，是单纯的骨形成过程。与骨形成有关的最重要的主角是成骨细胞，成骨细胞分泌骨基质后，一部分成骨细胞进一步分化成骨细胞，这个骨细胞存在于骨基质中被称为骨小窝的间隙中。另外，可以分化成成骨细胞的未分化细胞是间充质干细胞。简单定义干细胞，具有完全相同的功能和形态的细胞分裂增殖的能力(一个细胞直接分裂为2个，甚至4个的自我增殖能力)，这种被增殖的细胞具有分化成各种细胞的能力(图1)。综上所述，干细胞是具有旺盛的增殖能力和多分化能力的细胞。当然，在生成初期，这种干细胞被称为embryonic stem cell (ES细胞)。另外，最近通过将多个基因、蛋白质或RNA导入正常细胞中而制成的干细胞即iPS细胞(induced pluripotent stem cells)也为人所知。与ES细胞和iPS细胞相比，我们成年人的身体组织中也存在干细胞。众所周知的是可以成为红血球和白血球等造血细胞的造血干细胞。造血干细胞存在于骨头中的软组织骨髓内。另外，该骨髓中还存在被称为“间充质干细胞”的干细胞，不仅能分化成骨组织，还能分化成软骨和脂肪，这是先前已知的。最近有报道说，该间充质干细胞还可以分化成神经细胞、血管内皮细胞、肝细胞等(图1)。
1-3. 骨再生及可利用的细胞
作为再生医疗的一般战略，考虑通过移植可以成为目标再生组织的细胞进行再生医疗。在骨再生的情况下，可以考虑移植对骨形成起重要作用的成骨细胞。但是，成骨细胞是黏在骨组织表面的，为了从体内获得成骨细胞，还需要采集骨组织。也就是说，很难从捐献者那里得到成骨细胞然后移植。因此，可以从捐献者身上提取能分化成成骨细胞的间充质干细胞或存在该干细胞的骨髓，用于骨再生。此外，还可以进一步考虑利用间充质干细胞在体外制造骨组织并进行移植。当然，在这种情况下，需要证明体外制作的组织在移植到体内后也能发挥其功能。
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