解锁“宝藏”间充质干细胞MSCs：从特性解析到体外培养深度解析

间充质干细胞（Mesenchymal Stem Cell，MSCs）是一群成体干细胞。凭借其独特的生物学特性和显著的治疗潜能，MSCs已成为疾病研究领域的“新星”。截至2024年5月，全球范围内基于 MSCs 的在研临床试验已超1,200项，且已有超过27种MSCs相关产品获批，其临床应用价值已得到初步验证。

为帮助大家快速、系统地掌握MSCs关键知识，小普规划系列推文，依次介绍：MSCs概述、体外培养与扩增、三系分化和细胞治疗。

本期细胞学堂，小普将带大家了解MSCs的特性、功能、研究方向及体外培养策略，帮助您快速掌握这一研究前沿。

一. MSCs的基本特性

MSCs 来源于中胚层，具有高度的自我更新能力和多向分化潜能。其五大特性包括：自我复制、低免疫原性、高活性、趋炎性、不成瘤，这些特性使其在医学领域备受关注。

为规范MSCs 的研究与应用，国际细胞治疗学会（ISCT）提出了MSCs的定义标准，主要包括以下三个方面：

1. 贴壁性：在常规培养条件下，MSCs贴附于培养器皿表面生长。

2. 表面分子标志物：阳性表达CD105、CD73和CD90，同时阴性表达CD45、CD14或CD11b、CD79α或CD19以及HLA-DR。

3. 分化潜能：在体外条件下，MSCs能分化为成骨细胞、脂肪细胞和成软骨细胞。

注：随着研究的不断深入，ISCT提出的鉴定标准可能会进行更新。

MSCs可从骨髓、脐带、脂肪、牙齿、胎盘等多种组织中分离获取，在特定条件下可实现多向分化（图1）。

图1.  MSCs的组织来源及分化潜能 图片引用文献[1]

不同来源的MSCs在细胞丰度、增殖能力及功能性上存在显著差异，这些差异影响了它们在不同研究和临床应用中的选择。常用来源MSCs的特点见表1。

表1. 常用来源MSCs特性分析

细胞名称	组织来源	核心特性
骨髓（BM-MSCs）	骨髓穿刺液（侵入性操作）	研究历史最长，分化潜能稳定，免疫调节机制明确，但数量有限，受年龄限制
脐带（UC-MSCs）	新生儿脐带	来源丰富（产后废弃物），增殖能力强，免疫原性低
脂肪（AD-MSCs）	脂肪组织（吸脂术获取）	细胞产量高，易获取，增殖能力强，分化潜能低于BM-MSCs
关节滑液（SF-MSCs）	关节滑液（关节穿刺术）	细胞数量少，具有一定的分化潜能和免疫调节作用
胎盘（P-MSCs)	胎盘组织	来源丰富（产后废弃物），免疫调节能力强，增殖能力高
牙髓（DP-MSCs）	牙髓	数量有限，受牙齿来源限制，增殖能力良好，神经分化潜能突出

二、MSCs的核心功能

MSCs 的临床价值主要依赖其四大核心功能，这些功能相互协同，为组织修复和疾病治疗提供支持：

1、自我更新和增殖能力

MSCs具有高度的自我更新和增殖能力，能够不断分裂产生新的干细胞，维持其数量和质量。

2、多向分化潜能

MSCs可以分化为多种细胞类型，包括成骨细胞、软骨细胞、脂肪细胞、心肌细胞、神经细胞等。

3、促进组织修复功能

MSCs通过分泌生长因子、免疫调节因子及构建支持性微环境，促进受损组织的再生和修复。

4、免疫调节特性

MSCs可调控免疫系统活性，抑制炎症反应，并在移植相关疾病中展现潜在疗效。

 三、MSCs的研究应用

凭借多重功能，MSCs在多种临床前模型和疾病的临床试验中得到广泛探索^[2-4]，应用方向包括自身免疫性疾病、炎症性疾病、神经退行性疾病以及骨科损伤等（图2）。

图2. MSCs在多种疾病中的应用方向

不同组织来源的MSCs在生物学特性、免疫调节能力及分化潜能等方面存在差异，这决定了它们在特定疾病治疗中的适用性和潜在优势。针对不同疾病选择适合来源的MSCs仍是研究热点^[2-3]（表2）。

表2. 主要来源MSC在疾病治疗中的应用及优势

细胞名称	应用领域	优势
骨髓（BM-MSCs）	骨关节炎、脊髓损伤、移植物抗宿主病、肌萎缩侧索硬化症 （ALS），心血管疾病，内分泌紊乱，辅助生殖技术	免疫调节机制明确，长期安全性数据充足
脐带（UC-MSCs）	心肌梗死、肝脏纤维化、神经退行性疾病 、呼吸系统疾病	免疫原性低，可实现 “异体移植”，来源不受年龄限制
脂肪（AD-MSCs）	整形和美容手术（组织填充和修复，乳房重建）、关节炎和软骨损伤治疗、伤口愈合、自身免疫性疾病的治疗、心血管疾病	细胞产量高，成脂/成纤维分化能力强，适合软组织修复

四、MSCs体外培养策略

随着干细胞治疗需求不断增加，MSCs的体外扩增与培养体系显得尤为关键。选择适合的培养体系和培养方式，不仅可保持MSCs特性，还能提升其在临床上的应用价值。

1. 培养体系

常用的培养体系主要包括含血清培养基、无血清培养基以及含血清替代物培养基（表3）。

表3. MSCs体外培养体系分析

培养体系	优势	劣势	适用范围
含血清完全培养基	成本相对低，实验室普遍可用，细胞适应性强	批间差异大，存在临床风险	基础研究，常规细胞扩增
无血清培养基	化学成分明确、不含血清、无动物源、批间差异小，目标外泌体纯度高	价格较高，部分MSCs适应性差问题	外泌体研究，药物开发，临床应用
含血清替代物培养基	含血清替代物，模拟血清营养，规避血清风险，成本相对适中	/	科研研究

2. 培养方式

MSCs的培养方式主要包括二维（传统）和三维两种。

在二维培养中，细胞铺展在培养器皿的平面上生长，这种方法操作简便、成本较低，因而在再生医学及基础干细胞研究中仍被广泛应用。

然而，二维培养与体内的天然三维微环境存在明显差异。体外平面生长的MSCs容易出现形态改变、增殖动力学变化及分化潜能下降等问题。长期二维培养还可能导致多能性丧失、细胞提前衰老以及基因组稳定性降低。

为克服这些局限，研究者逐步发展了三维（3D）培养技术。3D培养通过无支架球体或基于水凝胶支架（如海藻酸盐、胶原、Matrigel等）的系统，为细胞提供更接近体内的立体微环境，使其在空间结构中实现自然的生长、增殖与迁移。

尽管三维培养操作更复杂、成本较高且标准化难度大，但其在模拟体内环境和维持MSCs生物学特性方面具有显著优势，应根据实验目的合理选择培养方式。

以上是关于间充质干细胞全面概览。后续小普还将带来间充质干细胞培养技巧、三系分化、细胞治疗等的精彩内容~

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参考文献

[1] Chen Q, Shou P, Zheng C, et al. Fate decision of mesenchymal stem cells: adipocytes or osteoblasts?. Cell Death & Differentiation. 2016; 23 (7): 1128-1139.

[2] Zhidu S, Ying T, Rui J, et al. Translational potential of mesenchymal stem cells in regenerative therapies for human diseases: challenges and opportunities. Stem Cell Research & Therapy. 15, 266 (2024).

[3] Zhou J, Shi Y, et al. Mesenchymal stem/stromal cells (MSCs): origin, immune regulation, and clinical applications. Cellular & Molecular Immunology. 20, 555–557 (2023).

[4] Han X, Liao R, Li X, et al. Mesenchymal stem cells in treating human diseases: molecular mechanisms and clinical studies. Signal Transduction and Targeted Therapy. 10, 262 (2025). 

[5] Li J, Wu Z, Zhao L, et al. The heterogeneity of mesenchymal stem cells: an important issue to be addressed in cell therapy. Stem Cell Research & Therapy. 2023; 14 (1): 381. 

[6] Moldaschl J, Chariyev-Prinz F, Toegel S, et al. Spheroid trilineage differentiation model of primary mesenchymal stem/stromal cells under hypoxia and serum-free culture conditions. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 2024; 12: 1444363.

[7] Bicer M, Cottrell GS, Widera D. Impact of 3D cell culture on bone regeneration potential of mesenchymal stromal cells. Stem Cell Research & Therapy. 2021; 12 (1): 31.