利用人多能干细胞来源的 SOX9+ 生骨节祖细胞重现软骨内骨化的研究及意义

为解决难以在人体细胞中重现软骨内骨化（Endochondral ossification）过程以及相关疾病研究模型不足的问题，研究人员开展了利用人多能干细胞（hPSC）来源的 SOX9+生骨节祖细胞（scl-progenitors）模拟骨骼发育的研究，结果成功重现软骨内骨化关键步骤，对研究骨骼疾病和组织工程意义重大。

　　骨骼系统如同人体的 “钢筋架构”，为身体提供支撑与保护，然而，骨骼相关疾病却给人们带来诸多困扰。像膝关节骨关节炎，全球超 16% 的成年人受其折磨，临床治疗手段有限且效果不佳 。同时，许多人类骨骼发育疾病，如脊柱侧凸、特发性骨腔病和青少年骨质疏松症等，其致病的遗传变异大多未知。而软骨内骨化作为生成大部分承重骨的关键过程，一直以来，在人体细胞中重现这一过程困难重重。此前的研究，无论是利用间充质干细胞（MSCs）还是人多能干细胞（hPSC）来源的细胞，都存在各种问题。MSCs 发育谱系不明、细胞异质性大且个体差异明显；hPSC 相关研究虽有尝试，但大多无法完整模拟软骨内骨化的自然过程，也难以诱导出极化生长板样结构。因此，寻找更合适的干细胞来源并开发相应分化方法迫在眉睫。

四川大学的研究人员针对上述难题展开研究，相关成果发表在《Nature Communications》上。该研究意义非凡，不仅为深入探究人类骨骼发育的分子机制提供了新途径，还有望推动骨软骨生物工程的发展，为骨骼疾病的治疗带来新的希望。

在研究方法上，研究人员主要运用了以下关键技术：一是细胞培养技术，对多种 hPSC 细胞系及人骨髓干细胞（hBMSCs）进行培养；二是基因编辑技术，构建 SOX9-IRES-tdTomato 报告基因敲入细胞系；三是单细胞 RNA 测序技术（scRNA-seq），分析细胞分化轨迹和基因表达动态；四是体内移植实验，将细胞或融合构建体移植到 NOD-SCID 小鼠体内，观察其在体内的发育情况。

在研究结果部分：

• SOX9⁺生骨节祖细胞的鉴定与高效诱导：研究人员通过构建 SOX9-IRES-tdTomato 报告基因敲入细胞系，发现传统生骨节分化中 SOX9⁺细胞是具有骨软骨分化能力的关键细胞群。优化分化策略后，能以平均 99.21%±0.24% 的效率从多种 hPSC 系中诱导出 SOX9⁺生骨节祖细胞（scl-progenitors），并建立了体外扩增培养系统。
• 模拟软骨内骨化过程：研究人员建立了微团培养系统，发现 hPSC 来源的 SOX9⁺ scl-progenitors 可自发凝聚形成早期软骨细胞，这些细胞在体内移植后能进一步分化为肥大软骨细胞，诱导血管侵入和骨化，形成生长板样结构和骨髓基质，忠实模拟了人类骨骼发育中软骨内骨化的关键步骤。
• 生成极化生长板样结构：研究人员利用 SOX9⁺ scl-progenitors 来源的成骨和软骨球体构建融合体，在特定区域诱导出极化生长板样结构。这些结构与原发性生长板在分子和细胞层面相似，且具有功能，能够介导纵向骨生长。
• ITGA9 作为特异性标记物：通过转录组分析，研究人员鉴定出 ITGA9 是 SOX9⁺ scl-progenitors 的特异性表面标记物，可实现无报告基因依赖的细胞分离，为后续研究提供了便利。

研究结论和讨论部分表明，该研究成功鉴定并高效诱导出 SOX9⁺ scl-progenitors，建立了其向软骨祖细胞和参与软骨内骨化的早期软骨细胞分化的方法，还诱导出了生长板样结构，并鉴定出 ITGA9 这一特异性标记物。这一成果为模拟人类骨骼发育和骨软骨生物工程提供了有价值的细胞来源和研究工具，有助于深入研究早期人类骨骼发育的分子机制，为相关骨骼疾病的研究和治疗开辟了新方向。不过，目前该研究仍存在一些局限，如在生成附肢生长板和关节软骨方面有待探索，构建的骨软骨融合体在模拟原发性长骨架构上还需优化，且体外完全复制血管侵入和骨髓形成过程仍面临挑战，这些都为后续研究指明了方向 。