间充质干细胞—三系分化原理拆解和核心应用大盘点

间充质干细胞（Mesenchymal Stem Cells，MSCs）是一群具有独特的生物学特性和治疗潜能的成体干细胞。凭借其多向分化能力和免疫调节特性，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过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，小普规划了一系列推文，依次介绍：MSCs概述、体外培养与扩增、三系分化和细胞治疗。本期细胞学堂聚焦于MSCs三系分化，带您深入了解其机制及应用价值。

一、什么是三系分化？

MSCs能够分化为多种细胞类型，其中最典型的是脂肪细胞、成骨细胞和软骨细胞。这三种分化过程被称为“三系分化”。

近年来，研究者围绕三系分化的分子机制展开了深入研究，包括转录调控、信号通路及表观遗传机制等。尽管如此，其调控机制仍未完全阐明，不同分化谱系之间的动态平衡与相互影响仍是当前研究热点。

图1. 信号通路和关键因子在调节MSC分化中的作用 图片引用文献[1]

二、三系分化谱系解析

1. 成骨分化

成骨分化是骨生成的关键步骤。在BMPs、TGF-β等生长因子及激素、理化因素（如钙离子浓度、机械应力等）的共同作用下，MSCs首先分化为成骨前体细胞，并进入快速增殖期。随后，细胞增殖能力逐渐下降，细胞外基质成熟相关基因被进一步激活。在此阶段，成骨细胞大量合成并分泌以I型胶原为主的有机基质，形成类骨质，其特征性标志为碱性磷酸酶（ALP）活性升高。ALP是成骨分化的早期指标。成熟的成骨细胞进一步表达细胞外基质钙化相关蛋白，主要包括骨钙蛋白（OCN）和骨桥蛋白（OPN），细胞矿化能力显著增强。

2. 成脂分化

脂肪组织包括白色脂肪组织和棕色脂肪组织，这两种脂肪细胞均来源于间充质干细胞，但二者在分化调控机制上存在差异。MSCs的成脂分化大致包括三个主要阶段：首先，MSCs分化为前脂肪细胞；其次，前脂肪细胞经历克隆性扩增；最后，细胞进入终末分化阶段，形成能够积累脂滴的成熟脂肪细胞。该过程主要受转录因子PPAR-γ和C/EBPα的调控，是脂肪生成的关键分子事件。

3. 软骨分化

软骨细胞负责软骨的形成和维持，其微环境显著影响功能和稳态。在TGF-β、BMP等信号通路的调控下，MSCs首先聚集形成软骨结节，分化为软骨前体细胞。软骨前体细胞分泌II型胶原和蛋白聚糖，形成软骨基质，并在后续分化过程中继续积累软骨基质成分，最终成熟为功能性软骨细胞。

三、三系分化的意义和应用

1. 身份鉴定与功能评估

MSCs的国际公认鉴定标准之一是具备成骨、成脂和成软骨三系分化潜能。

三系分化实验不仅用于确认干性，还可评估MSCs在体外扩增过程中是否保持分化潜能，对科研和临床应用均至关重要。

2. 生理意义与稳态调控

成骨、成脂和成软骨分化之间的动态平衡，对于组织健康具有重要作用^[3]。

• 骨骼稳态

骨组织的持续更新依赖破骨细胞介导的骨吸收与成骨细胞生成新骨之间的平衡。MSCs向成骨分化是维持骨量和骨微结构稳态的关键因素。

• 关节软骨修复与稳态

MSCs的成软骨分化潜能在软骨损伤修复中发挥辅助作用，有助于维持关节微环境稳态。成人关节软骨的日常稳态主要依赖现有软骨细胞。

• 局部脂肪组织稳态

MSCs向脂肪分化的潜能有助于维持局部脂肪组织稳态，避免局部异常脂肪沉积及相关代谢异常，其对全身脂肪代谢的直接调控作用仍需进一步研究。

• 组织微环境调控

MSCs通过旁分泌方式分泌多种细胞因子，调节免疫反应并参与组织微环境的维持与修复。

3. 病理相关性与疾病机制研究

MSCs分化平衡失调与多种疾病密切相关：

• 成骨/成脂平衡异常：当骨髓MSCs向脂肪谱系分化增加或成骨分化受抑时，骨生成下降，容易导致骨质疏松、异常成骨及衰老相关骨量减少。

• 成软骨分化受损：成软骨分化不足会导致软骨基质生成受限，从而促进关节软骨退行性变和骨关节炎的发展。

研究MSCs在疾病状态下的分化，有助于揭示病理机制，为骨、软骨及脂肪组织的修复与再生提供理论依据。

4. 再生医学与组织工程应用

MSCs的三系分化潜能使其成为组织工程和再生医学的理想种子细胞：

• 成骨方向：用于骨缺损修复、人工骨构建及骨再生支架设计。

• 成软骨方向：应用于软骨损伤修复及退行性关节疾病的细胞治疗。

• 成脂方向：用于脂肪组织重建及美容医学。

此外，标准化的体外三系分化体系可作为疾病模型，用于骨质疏松、肥胖及软骨退行性病变的药物筛选与干预靶点验证，为新型治疗策略开发提供实验基础。

5. 个体化与精准治疗

通过定向诱导分化，MSCs可获得特定功能细胞（如成骨细胞、成软骨细胞或脂肪细胞），移植至受损组织中，实现精准修复与再生。

特别是患者来源的MSCs，可用于自体移植，降低免疫排斥风险、提高修复效果，为个体化治疗提供新的思路与实践方案。

四、三系分化体外诱导实例

体外诱导MSCs三系分化，有助于揭示其分化机制，为科研和临床提供可靠参考。

普诺赛^®长期致力于细胞领域研究，创建成熟的技术平台并积累丰富的诱导分化经验。依托这一优势，我们能够提供不同来源MSCs三系诱导分化的完整解决方案，助力科研及临床应用的深入开展。

	成骨分化	成脂分化	成软骨分化
人骨髓间充质干细胞
大鼠骨髓间充质干细胞

图2. 不同来源的MSC成骨、成脂、成软骨分化鉴定结果

普诺赛^®曾举办《间充质干细胞成脂、成骨、成软骨诱导分化深度解析》直播课，深度解析成脂、成骨、成软骨诱导分化的过程。感兴趣的小伙伴可以前往观看回放。

以上是关于间充质干细胞三系分化的介绍。后续小普还将带来更多关于间充质干细胞疗法等的精彩内容~

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 往期回顾：

• 解锁“宝藏”间充质干细胞：从特性解析到体外培养的深度解码
• 解锁“宝藏”间充质干细胞：高效培养与稳定扩增指南

参考文献：

[1] Zhu S, Chen W, Masson A, et al. Cell signaling and transcriptional regulation of osteoblast lineage commitment， differentiation， bone formation， and homeostasis. Cell Discovery. 2024 Jul 2;10（1）:71.

[2] 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, 381.

[3] 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. 2025, 10, 262.