体外诱导间充质干细胞向椎间盘髓核样细胞转化

很多人都有过腰痛的经历，尤其是那种反反复复、一弯腰就难受的下腰部疼痛。据统计，现代人当中下腰痛的发病率非常高，甚至可以说是个“流行病”。这背后往往跟一个叫做“椎间盘”的结构出了问题有关。椎间盘是什么呢？你可以把它想象成脊椎骨之间的小软垫，像个果冻夹心饼干：外层是坚韧的纤维环，里面是果冻状的髓核。这个髓核主要是由髓核细胞和它分泌的胶原蛋白、蛋白聚糖等物质构成的，功能就是缓冲压力、让脊柱能灵活活动。但随着年龄增长或者长期姿势不当，这个“果冻”会慢慢脱水、变干、失去弹性，严重的还会出现裂缝或者突出，压迫神经，导致疼痛、麻木，甚至影响走路。

医学上把这叫做椎间盘退变性改变。目前医生们能做的，大多是缓解症状：吃药、理疗、打封闭针，严重时需要手术把突出的部分切掉或者把整个椎间盘融合固定。但这些方法都没法让退变的椎间盘重新长好——毕竟，髓核组织一旦坏了，身体自己很难再生。理想的办法是什么呢？当然是修复它，把退变的髓核细胞替换成健康的、能干活的新细胞。可问题是，到哪儿去找那么多合适的髓核细胞来移植呢？总不能从别人身上取，那会有排异反应，而且来源也有限。

不过，现代组织工程学的发展正在一点点推开这扇门。科学家们盯上了一种特殊的细胞——间充质干细胞，简称MSCs。这类干细胞在很多组织里都存在，比如骨髓、脂肪、脐带等，它们有个本事：在合适的环境诱导下，可以分化成多种不同的细胞，比如成骨细胞、软骨细胞、脂肪细胞。那么，有没有可能让它们“听话”地变成髓核细胞呢？如果能，就等于有了一个源源不断的“细胞工厂”，用来修复椎间盘退变。

最近，美国的一群科学家就在实验室里做了一项很有意思的研究。他们用大鼠的间充质干细胞，尝试在体外培养条件下诱导它们变成髓核样细胞。什么叫“髓核样细胞”？就是长得像髓核细胞、功能也接近的细胞。他们用的方法很巧妙：把干细胞放在一种叫“三位藻酸盐水凝胶”的体系里培养。这听起来有点复杂，其实就是一个三维的、像果冻一样的支架，干细胞钻进去以后，可以像在真实身体里一样立体生长、互相接触，而不是像在普通培养皿里那样平铺着长。

在这个“果冻”里，他们给细胞加了两种关键“调料”：一种是生长因子TGF-β1，它在细胞分化中起着重要的信号作用；另一种是改变环境中的氧气含量——分为两组，一组在低氧条件（2%氧气）下培养，另一组在正常空气（20%氧气）下培养。为什么要搞低氧呢？因为咱们身体里椎间盘所处的位置血液供应很差，氧气浓度本来就低，正常只有2%到5%左右。所以，模拟真实的低氧环境，可能更有助于干细胞“学会”变成髓核细胞。

科学家们用各种手段来观察细胞的变化。他们用共焦显微镜看细胞的数量和分布，还用特殊的染色方法判断细胞的代谢活力。结果发现，在低氧环境下培养的干细胞出现了很有趣的现象：细胞们大片大片地聚集在一起，就像抱团取暖一样，而且染色后颜色很深，说明它们活得很好、代谢很活跃。而在正常氧气下培养的细胞，虽然也长了，但没这么“团结”。

接下来，他们更深入地检查了这些细胞到底变成了什么样子。用流式细胞仪、半定量RT-PCR和Western杂交这些技术，检测细胞表面的标志物、合成蛋白质的能力，以及细胞内信号通路的变化。结果发现，低氧培养的干细胞，好几个跟髓核细胞功能相关的基因都“开足马力”了。比如，葡萄糖转移酶-3（负责把葡萄糖运进细胞，为合成蛋白聚糖提供原料）、基质金属蛋白酶-2（参与细胞外基质重塑）、II型胶原和XI型胶原（都是椎间盘里重要的结构蛋白）、还有蛋白聚糖aggrecan（这是髓核里最核心的“吸水分子”，让髓核保持弹性的关键）——这些物质的mRNA和蛋白表达全部上调了。也就是说，干细胞开始大量生产髓核细胞特有的“建筑材料”。

有意思的是，另一些细胞外基质蛋白，比如decorin、biglycan、fibromodulin、lumican等，它们的水平没有明显变化。这说明干细胞的分化并不是“眉毛胡子一把抓”，而是有选择性地向髓核细胞的方向靠拢。另外，低氧还让干细胞持续表达一些细胞表面受体，比如CD4（透明质酸受体）、ALCAM（CD166，一种细胞黏附分子）和endoglin（TGF-β受体）。这些受体的持续存在，意味着细胞保持着对微环境变化的敏感度，能持续接收来自TGF-β等信号的指令。

提到TGF-β，这个生长因子在研究中扮演了重要角色。科学家发现，在培养液中加入TGF-β1之后，干细胞内部的MAPK信号通路被激活了，活性明显增强。同时，跟软骨和髓核分化密切相关的转录因子Sox-9、蛋白聚糖aggrecan和II型胶原的表达都进一步升高。这说明，TGF-β是通过MAPK这条信号通路，把指令传进细胞核，促使干细胞朝着髓核样细胞的方向转变。

综合这些结果，研究人员给出一个结论：在低氧环境（模拟椎间盘内部）和TGF-β的诱导下，间充质干细胞可以朝着髓核细胞的表型方向分化，这个过程很可能依赖于MAPK信号通路。简单来说，就是给了干细胞“天时”（低氧）和“地利”（三维支架）以及“人和”（TGF-β信号），它们就乖乖地变成了髓核细胞的模样。

这个发现让人很兴奋。因为这意味着，未来我们或许可以从患者自己身上取一点骨髓或者脂肪，分离出间充质干细胞，在体外用合适的条件培养出足够多的髓核样细胞，再移植回退变的椎间盘里，让它们重新“接手”工作，恢复椎间盘的高度和弹性。当然，这还只是细胞水平的研究，离真正临床应用还有很长的路要走，比如要解决移植后细胞能不能存活、会不会引起免疫反应、能不能长期稳定发挥功能等问题。但至少，这条路已经初步被探明了方向。对千千万万被腰痛折磨的人来说，这无疑是一个充满希望的信号。

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