自1995年 Arnold Caplan教授首次应用骨髓MSC治疗恶性血液病以来，有关MSC的临床应用已接近三十年。在这三十年中，MSC在细胞治疗领域越发活跃，在自身免疫性疾病、神经退行性疾病、衰老性疾病、组织器官损伤、炎症等病症的治疗中均取得了一定的效果。不过，诸如细胞数量、细胞质量等多种因素仍旧制约着MSC疗效的发挥，而如何获得均质且足量的MSC是目前领域内的前沿热点。今天，M博士将结合课题组的研究成果来跟大家谈一谈这个问题。

Arnold Caplan, PhD

阿诺德·卡普兰，美国克利夫兰凯斯西储大学的教授，被称为“间充质干细胞”之父

【临床桎梏：细胞异质性与数量不足】

在前文中（链接：异质性-MSC临床转化的绊脚石），M博士向大家介绍了因供体来源、培养条件、组织起源不同引起的细胞异质性对MSC应用的影响，其中供体来源、培养条件等因素相对可控，同时，通过分离特定组织的MSC加以利用也能够一定程度上解决因组织起源不同而引起的MSC异质性问题。但是，随之而来的是新的困难。通过组织分离的MSC数量一般较少，体外扩增能力有限，无法满足MSC长期临床治疗的细胞数量需求。同时，诸如心脏组织中虽然也存在MSC，但在实际临床场景中，并不能直接从人体相应器官中分离获得MSC，这些因素极大地制约了MSC的广泛应用。

图1多能干细胞：胚胎干细胞与诱导多能干细胞

【另辟蹊径：从多能干细胞说起】

在应用MSC首次进行临床试验的三年后，美国科学家James Thomson首次从人类囊胚中分离出胚胎干细胞（ESC），并成功建立了人胚胎干细胞系。而后又经过近十年，经由体细胞重编程获得的人诱导多能干细胞（iPSC）应运而生。多能干细胞（PSC，包括ESC与iPSC）在体外具有自我更新以及多向分化的潜能，经过十几年的发展，科学家们已经对其不同分化方向进行了一定程度的探索，通过调控相应的信号通路，多能干细胞能够被诱导分化为特定的细胞类型，而这些研究也使得在体外通过诱导分化获得MSC成为可能。

事实上，在多能干细胞系被成功建立后的十几年中，科学家们确实在尝试着经由PSC分化获得MSC。Xu等最早利用ESC形成胚体后再诱导分化，成功在体外获得了人胚胎成纤维样细胞。在这之后，Barberi等报道了一种更为直接的体外获得MSC的方案，利用ESC与小鼠的骨髓基质细胞OP9共培养，他们获得了约5%的CD73⁺细胞，这群细胞表达多种MSC特征性的标志物，同时具有三系分化的能力，这被认为是首次明确的将多能干细胞定向诱导分化为MSC的报道。

然而，这些研究并未对MSC的发育起源及其分化路径进行严格控制，因此所得到的MSC仍然具有较高的异质性。

【水到渠成：iMSC的诞生】

MSC的胚胎内发育起源包括中胚层和神经嵴，经由不同起源形成的MSC，其组织定位也不同。骨髓、心脏、肌肉等组织中的MSC是中胚层来源，而牙髓中的MSC则是神经嵴来源。基于不同的组织定位，中胚层与神经嵴在发育过程中所受到的信号调控也有所区分。

利用这样的区别，在2019年，M博士所在课题组通过激活WNT信号通路，将PSC高效分化为轴旁中胚层细胞（PMP），效率接近100%，随后又进一步分化PMP获得了MSC。PMP-MSC诱导分化体系简单、高效、可重复性好，分化得到的细胞具有更为均一的生物学特性。与骨髓来源的BMSC相比，PMP-MSC表现出良好的体内成骨和支持血岛重建的能力，以及更好的免疫调节能力。另外，PMP-MSC还具有较强的增殖能力，这对于满足未来MSC临床转化的大规模细胞需求具有重要的意义。（Theranostics. 2019 Feb;9(6): 1683.）

图2 多能干细胞经由轴旁中胚层分化获得MSC

与之对应的神经嵴分化需要轻微激活WNT通路，同时抑制TGF-β/SMAD通路，经过一定时间的诱导后，通过标志物P75和HNK1分选得到双阳性的神经嵴细胞，而后经由颅神经嵴命运，M博士团队成功分化PSC产生了周细胞样细胞（周细胞被认为是MSC的一种）。将所得到的细胞移植到大脑中动脉缺血再灌注损伤小鼠模型中，发现其能够通过促进血脑屏障的重建、阻止神经元的凋亡，发挥一定的神经保护功能。（Mol Psychiatry. 2018 Mar;23(3); Nat Commun. 2020 Oct;11(1): 1-20.）

图3 多能干细胞经由颅神经嵴分化获得MSC

【未来可期：更为精准的治疗方案】

随着发育生物学研究的不断深入，不同组织的发育起源也进一步被细化。以中胚层为例，根据在胚胎中所处位置的不同，它能够进一步被分为轴旁中胚层、中间中胚层和侧板中胚层，其中轴旁中胚层主要发育为躯干骨骼和肌肉，中间中胚层形成肾脏和性腺，而侧板中胚层则形成四肢及心脏。在这样的背景下，进一步限定MSC的发育起源，探索更为特异的MSC诱导方案，将使得iMSC（human-induced pluripotent mesenchymal stem cell，多能干细胞来源MSC的统称）的家族成员更为丰富，同时也将使得体外得到的MSC与体内组织中的MSC更为接近。

另外，目前对于MSC的鉴定仍旧是通过特征性的标志物、三系分化能力等比较笼统和宏观的指标。然而诸多证据表明，不同组织起源的MSC实际上仍具有功能上的偏好。因此，对于iMSC的研究应当从“求同存异”逐渐转向“追根溯源”，鉴别出不同组织起源MSC的个性化特征，将帮助科学家们能够针对疾病组织的不同选用更为合适的MSC进行治疗。同时，结合iPSC的重编程特性，通过分化患者iPSC获得MSC，将使得MSC的临床治疗更为精准和安全。

就在2021年11月，美国两家生物制药公司AgeX Therapeutics和ImStem Biotechnology联合宣布，他们使用AgeX胚胎多能干细胞系ESI-053来源的间充质干细胞候选药物IMS001完成了治疗多发性硬化症（multiple sclerosis，MS）的首例患者给药。IMS001也被认为是首个多能干细胞衍生的MSC产品。

iMSC的出现为MSC的临床转化带来了新的契机。细胞治疗是一片广阔的天地，iMSC在其中将大有可为。

【参考文献】

1. Xu C, Jiang J, Sottile V, et al. Immortalized fibroblast‐like cells derived from human embryonic stem cells support undifferentiated cell growth[J]. Stem cells, 2004, 22(6): 972-980.
2. Barberi T, Willis LM, Socci ND, et al. Derivation of multipotent mesenchymal precursors from human embryonic stem cells. PLoS Med. 2005 Jun;2(6):e161.
3. Wang H, Li D, Zhai Z, et al. Characterization and therapeutic application of mesenchymal stem cells with neuromesodermal origin from human pluripotent stem cells[J]. Theranostics, 2019, 9(6): 1683.
4. Sun J, Huang Y, Gong J, et al. Transplantation of hPSC-derived pericyte-like cells promotes functional recovery in ischemic stroke mice[J]. Nature communications, 2020, 11(1): 1-20.