PNAS：从骨髓中发现罕见干细胞的新技术

　　

生物通报道：在骨髓深处存在一种细胞称为骨髓间充质干细胞（MSCs）。这些未成熟的细胞可以分化成产生骨骼、软骨、脂肪或肌肉的细胞，科学家一直试图将这个特征用于组织修复。

在一项有望让这种干细胞疗法开发更加容易的最新研究中，来自麻省理工学院（MIT）和新加坡-麻省理工学院学术联盟（SMART）的一个研究小组，已经确定了MSCs的三个物理特性，利用这些特性，可以将其与骨髓中存在的其他免疫细胞区分开来。基于这些信息，他们计划制造一种能够快速分离MSCs的设备，使我们更容易地产生足够干细胞用于患者治疗。相关研究结果发表在2014年10月8日的《PNAS》杂志。

直到现在，仍然还没有很好的方法，能够从已经开始分化成其他细胞类型、但是细胞表面共有相同分子的骨髓细胞中分离MSCs。本文资深作者、MIT材料科学与工程、生物工程学副教授Krystyn Van Vliet说，这可能就是为什么不同实验室的研究结果有所差异，以及为什么现在干细胞疗法在临床试验中不那么有效的一个原因。

Van Vliet说：“有些你正在使用和召集干细胞的细胞，正在产生有益的治疗效果，但是你使用的许多细胞并非如此。我们的方法提供了一种方式，来净化或高度富集这个细胞群中的干细胞。现在你可以大海捞针，并将它们用于人类治疗。”

本文第一作者W.C. Lee是新加坡国立大学和SMART毕业的研究生，另外一位共同第一作者Hui Shi以前是SMART的博士后。

物理标记
MSCs只占骨髓细胞的很小一部分。其他未成熟的细胞包括成骨细胞，它们已经开始发育为软骨或骨生成细胞。目前，研究人员试图根据存在于细胞表面的蛋白标志物来分离MSCs。然而，这些标志物并不是MSCs特有的，也可以产生其他类型更分化的未成熟细胞。

Lee说：“传统的细胞表面标志物，常被用来从人骨髓中分离不同类型的干细胞，但是它们缺乏足够的‘分辨率’来区分具有不同功能的间充质干细胞亚群。”

研究人员开始寻找多潜能性（multipotency）——能够变成许多不同细胞类型的能力——的生物物理标志物。他们首先怀疑，细胞大小可能是一个因素，因为胎儿骨髓干细胞——往往具有较高比例的MSCs——通常直径较小。

为了验证这一假设，研究人员使用Han以前开发的一种装置，根据肿瘤细胞的大小来捕捉循环的肿瘤细胞。他们根据大小分离骨髓细胞，发现较大细胞中没有一个是多能细胞，并非所有的较小细胞都具有多能性，所以仅仅凭大小不能区分MSCs。

在对其他几个物理性状进行测量之后，研究人员发现有两个性状，可以与大小相结合，将MSCs与其他干细胞完全区分开来，这两个性状是：细胞的刚度和细胞核膜的波动度。

Van Vliet说：“你不需要比这三个性状更多，但是你也不能少于这三个性状。现在我们有三个一组的特征，可识别将会具有多能性的细胞群，与只会成为骨骼或软骨细胞的细胞群。”

Van Vliet说，这些特征似乎与我们已经知道的干细胞特征一致。与已经致力于其最终命运的细胞相比，未成熟的细胞其遗传物质在细胞核内来回运动，产生更多的核细胞膜波动。与高度分化的细胞相比，干细胞也具有刚性较小的细胞骨架结构（至少在其粘附在玻璃这样的材料上时），从而使那些粘附的细胞似乎不那么僵硬。

更好的再生
然后，研究人员在小鼠中检测了分离的MSCs的再生能力。他们发现，这些细胞能够帮助修复肌肉和骨损伤，而被确定为成骨间质细胞的细胞，能够修复骨骼，而不是肌肉。

Lee说：“我们首次提供证据表明，间充质干细胞亚群可以被识别，并高度浓缩用于骨生长和肌肉修复。我们设想，这种方法对用于一系列组织退行性病变患者组织修复的骨髓干细胞的选择和纯化，也很重要。”

现在，该研究小组正致力于MSCs分离的高速方法。制备此类细胞的更纯细胞群，应该会为组织修复带来更有效的干细胞疗法。

Van Vliet和Poon也希望对这项研究中分离出的骨原细胞，开展一项临床试验，可能对治疗骨损伤有用。

（生物通：王英）

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生物通推荐原文摘要：
Multivariate biophysical markers predictive of mesenchymal stromal cell multipotency
Abstract: The capacity to produce therapeutically relevant quantities of multipotent mesenchymal stromal cells (MSCs) via in vitro culture is a common prerequisite for stem cell-based therapies. Although culture expanded MSCs are widely studied and considered for therapeutic applications, it has remained challenging to identify a unique set of characteristics that enables robust identification and isolation of the multipotent stem cells. New means to describe and separate this rare cell type and its downstream progenitor cells within heterogeneous cell populations will contribute significantly to basic biological understanding and can potentially improve efficacy of stem and progenitor cell-based therapies. Here, we use multivariate biophysical analysis of culture-expanded, bone marrow-derived MSCs, correlating these quantitative measures with biomolecular markers and in vitro and in vivo functionality. We find that, although no single biophysical property robustly predicts stem cell multipotency, there exists a unique and minimal set of three biophysical markers that together are predictive of multipotent subpopulations, in vitro and in vivo. Subpopulations of culture-expanded stromal cells from both adult and fetal bone marrow that exhibit sufficiently small cell diameter, low cell stiffness, and high nuclear membrane fluctuations are highly clonogenic and also exhibit gene, protein, and functional signatures of multipotency. Further, we show that high-throughput inertial microfluidics enables efficient sorting of committed osteoprogenitor cells, as distinct from these mesenchymal stem cells, in adult bone marrow. Together, these results demonstrate novel methods and markers of stemness that facilitate physical isolation, study, and therapeutic use of culture-expanded, stromal cell subpopulations.