机体组织器官由数量众多的成熟功能细胞、祖细胞和数量稀少的干细胞组成，通过细胞增殖和细胞凋亡机制维持着机体内环境及组织器官结构和功能的稳定。细胞凋亡是在相关基因控制下机体及时清除衰老或异常细胞的程序性细胞死亡，是一种正常的生理清除机制。而新细胞的产生主要是依赖组织器官内数量稀少的干细胞的增殖来更新和补充成年组织器官中损伤、衰老、凋亡的组织细胞。一旦细胞增殖和细胞凋亡之间的这种动态平衡被打破，就会引发诸多疾病。例如，如果组织特异性干细胞自我更新异常加快，就可形成细胞增生性疾病如肿瘤，如果造血干细胞分化形成的免疫细胞不能及时凋亡而被清除，就会形成免疫系统疾病。同样，如果干细胞的自我更新异常减弱或障碍或者干细胞分化出现异常，将导致干细胞数量减少或功能不足，就会导致机体发育异常、组织器官的功能低下甚至功能衰竭，形成各种退行性疾病。如果创伤导致的组织缺失，比如骨缺损，显然是干细胞和大量组织细胞的严重缺失，结果就是运动功能障碍。通常认为这些组织干细胞来源于骨髓干细胞的不断补充，造血干细胞和间充质干细胞就是两种最重要的骨髓干细胞。前者人们比较熟悉，已经用于血液系统疾病的治疗并取得长足进展，虽说造血干细胞移植治疗血液系统疾病尚需提高成功率，但造血干细胞移植已经成为根治血液系统疾病的主要方法。后者早在20世纪70年代就被证实存在于骨髓，后续研究证实间充质干细胞其实广泛存在于机体所有组织器官。

干细胞具有独特的生物学特性，奠定了干细胞在组织修复等方面的理论基础。主要包括四个方面：①干细胞的自我更新和多向分化潜能：干细胞能以不对称分裂方式一个分裂为两个，其中一个继续保持干细胞特性，另一个分化为终末成熟组织细胞。体内外研究显示，干细胞可在一定的微环境条件下（龛位）分化为多种成熟的组织细胞。比如造血干细胞可分化为血液系统的各种细胞，间充质干细胞可分化为骨、软骨、脂肪、内皮、肌肉、胰腺、神经和上皮组织等功能细胞。②干细胞具有“归巢”特性：干细胞的“归巢”是指干细胞进入体内后向特定组织器官靶向迁移的现象。例如，造血干细胞移植后可以回到骨髓定居并再生血液系统疾病患者的造血功能。间充质干细胞移植后也可迁移到骨髓定居，如果组织有损伤或在病理条件下，移植的间充质干细胞可以在体内损伤组织微环境的趋化作用下，迁移定居到损伤部位并分化为相应的组织细胞。③干细胞具有自分泌功能，可以分泌多种因子促进内源性组织细胞增殖生长或发挥免疫调节作用。④间充质干细胞不表达与人类白细胞抗原（HLA）识别相关的协同刺激分子B7-1（CD80）、B7-2（CD86）以及主要组织相容性复合体（MHC）Ⅱ类分子的HLA-DR产物等，免疫原性极低或没有，属于免疫豁免细胞，可以异体移植甚至异种移植也不会发生免疫排斥反应。

那么，干细胞是如何实现靶向迁移、定居、分化、修复与免疫调节的呢？众多基础研究发现，间充质干细胞表达或分泌了一系列的干细胞表面标志物、黏附分子及胞外基质、趋化因子受体、细胞因子等。其中，干细胞表面标志物主要包括CD29、CD44、CD71、CD90、CD105、CD106、CD117 等；黏附分子主要包括整合素 α _vβ ₃、α _vβ ₅、α ₁、α ₂、α ₃、α ₄、α ₅、α _v、β ₁、β ₃、β ₄、ICAM-1、ICAM-2、ICAM-3、VCAM-1、HCAM、ALCAM-1、LFA-3、E- 选 择 素、L- 选 择素、P-选择素；胞外基质主要包括多种胶原蛋白、粘连蛋白、透明质酸酶、蛋白聚糖、层粘连蛋白等；趋化因子受体主要包括 CXCR1、CXCR2、CXCR3、CXCR4、CXCR5、CXCR6、CCR1、CCR2、CCR3、CCR4、CCR7、CCR8、CCR9等。黏附因子通常是介导细胞与细胞间或细胞与基质间相互接触和结合，以配体-受体相对应的形式发挥作用的一类糖蛋白分子。植入的间充质干细胞能沿着血管壁滚动，通过选择素、整合素等黏附分子与血管内皮细胞结合，依赖VCAM-1和G蛋白偶联受体作用，以内皮细胞间的转运或直接穿过单个内皮细胞的方式穿过管壁进入特定组织。研究表明，虽然间充质干细胞表面有多种选择素表达，但在迁移过程中的不同阶段，却有不同的选择素表达，比如间充质干细胞在血管壁滚动的初始阶段P-选择素表达量较高，而E-选择素和L-选择素表达水平较低或不表达，所以，可以推测P-选择素应当在间充质干细胞在血管壁滚动的初始阶段发挥着重要作用。同样，研究显示VCAM-1、VCAM-3、ALCAM、CD105等多种血管黏附分子参与了间充质干细胞的迁移，但在迁移过程中的不同阶段或不同环境，间充质干细胞却有不同的血管黏附分子表达，比如将肿瘤坏死因子-α与间充质干细胞共培养刺激其增加VCAM-1的表达，但用抗VCAM-1抗体封闭后间充质干细胞就失去了黏附能力，如果将间充质干细胞融入不同类型的内皮细胞中，间充质干细胞的黏附、整合、迁移所需要时间随内皮细胞的表型不同而不同。

研究证实，指挥间充质干细胞归巢的核心在于趋化因子。趋化因子是一类介导细胞定向移动、以配体-受体相对应的形式发挥作用的小分子糖蛋白，通过与特异性G蛋白偶联受体结合才能发挥生物活性，一直被认为是介导白细胞在正常或炎症条件下的迁移和体内重分配的重要因子，在炎症反应中，炎性细胞的聚集需要多级的黏附，信号转导之间也需要协调配合。趋化因子家族及其受体也是指挥间充质干细胞动员和迁移的重要因子。移植人间充质干细胞治疗成骨不全症小鼠模型的实验显示，移植的人间充质干细胞可迁移到小鼠骨髓和骨损伤部位促进骨组织的修复，间充质干细胞迁移到骨和骨髓依赖于趋化因子——基质衍生因子（SDF-1）及其受体CXCR4。骨髓间充质干细胞治疗急性心肌梗死家兔模型实验也显示，骨髓间充质干细胞能迁移到心脏，并能形成从骨髓到心脏不同浓度梯度的SDF-1。如果在实验前加入CXCR4的阻断剂AMD3100，干细胞的迁移能力就明显降低，表明SDF-1通过结合它的受体CXCR4来实现对间充质干细胞的趋化和迁移控制。除了SDF-1以外，TGF、HGF、VEGF、IGF、PDGF、bFGF也是重要的趋化因子。越来越多的研究已经证实，干细胞的定向迁移对SDF-1的浓度具依赖性，CXCL12/CXCR4是趋化迁移的调节控制轴，SDF-1信号通路是动员趋化间充质干细胞的相关调节者。间充质干细胞的归巢主要环节包括：E-选择素和P-选择素介导干细胞在内皮细胞层的滚动，然后内皮细胞分泌SDF-1激活CXCR4并促发淋巴功能相关抗原1/VCAM1和超延迟抗原4/VCAM1间的作用，使干细胞黏附于内皮组织，而超延迟抗原1和超延迟抗原5与细胞外基质纤维结合素的作用使干细胞穿过细胞外基质并顺着SDF-1浓度迁移至损伤组织。显然，间充质干细胞分泌或表达了众多的黏附分子和趋化因子受体，在不同的研究报道中显示的调控结果也不同，比如有研究证实人间充质干细胞表达了CXCR4等受体，肿瘤坏死因子TNF-α可以增加CCR2、CCR3、CCR4等受体的表达而不是CXCR4。比如骨折时，间充质干细胞就会在CXCL12等趋化因子引导下穿过血管壁向趋化因子浓度较高的骨缺损部位迁移，而随着间充质干细胞所处氧分压等微环境因素的变化，趋化因子和间充质干细胞相应受体的结合也会受到相应蛋白酶的降解而恢复常态（图2-3）。这说明间充质干细胞及其表达黏附分子和趋化因子受体的多样性以及归巢调控机制的复杂性，也只有间充质干细胞表达黏附分子和趋化因子受体的多样性，才可以确保间充质干细胞能够向不同类型的组织或器官靶向迁徙并发挥修复受损组织或缓解炎症反应的作用。比如表达CCR9的间充质干细胞可以迁移到小肠，表达CCR1的间充质干细胞可以迁移到有炎症的关节或有病变的脑组织。

成功靶向迁移的干细胞如何生存分化呢？干细胞具有在一定的微环境条件下多向分化的潜能。微环境，即干细胞壁龛（niche），包含细胞因子、生长因子、黏附分子和细胞外基质等组分，提供各种复杂的信号，维持干细胞的自我更新和分化功能并决定其命运。一旦微环境受到破坏，就会导致干细胞分化异常。此外，微环境还控制着干细胞的流通量，即多少干细胞处于休眠状态，多少干细胞将被动员起来进入细胞周期循环以维持组织细胞的数量，两者之间处于动态平衡。比如成骨细胞产生的血管生成素能诱导造血干细胞进入休眠状态，而组织蛋白酶及中性粒细胞弹性蛋白酶能调节骨髓里干细胞的去留，骨髓中干细胞的休眠与活动由各种细胞因子决定。细胞是构成微环境的基础，迁移到特定组织定居的间充质干细胞与周围组织细胞之间有直接作用，一方面周围环境为间充质干细胞提供营养物质，维持间充质干细胞的生存和代谢；另一方面间充质干细胞和周围组织细胞新陈代谢过程中分泌多种因子或排泄新陈代谢的产物又反过来影响特定的组织微环境。比如，在体内间充质干细胞是与造血干细胞相互接触的，间充质干细胞的存在有助于造血干细胞向多种血细胞的分化，造血干细胞的存在则有助于间充质干细胞的分化。造血干细胞与间充质干细胞共培养可增强间充质干细胞的血管再生能力，而且动物实验显示新生血管的数量较单纯骨髓间充质干细胞移植的多、血管直径也增粗。间充质干细胞和周围组织细胞都可以分泌某些细胞因子，这些因子可以参加干细胞分化的调控。比如周围组织细胞分泌的骨形态发生蛋白、血管内皮生长因子等可以调节间充质干细胞的分化。骨形态发生蛋白家族是调节骨生长的一种重要因子，不同成员对间充质干细胞成骨分化的作用不同，骨形态发生蛋白13能够抑制间充质干细胞向成骨细胞分化，而且这种抑制效应与骨形态发生蛋白13的浓度成正相关，但骨形态发生蛋白2和骨形态发生蛋白7作用则相反，这两种因子能够促进间充质干细胞向成骨细胞分化。同样，血管内皮生长因子是调控血管生成的重要因子，它可以通过与间充质干细胞膜的结合促进间充质干细胞向血管内皮细胞分化，局部微环境分泌的可溶性血管内皮生长因子受体又能与间充质干细胞竞争结合血管内皮生长因子而抑制这种促进作用。可见，微环境在调节间充质干细胞分化时，既有抑制作用同时也有促进作用。随着干细胞分化研究的深入，科学家发现了更多间充质干细胞在特定组织微环境条件下向其他组织细胞分化的调控分子。比如，xA2是一种参与炎症反应的前列环素代谢产物，当机体组织有炎症时，xA2浓度升高，并促进间充质干细胞向平滑肌样细胞分化。脑缺血的局部组织分泌更多的粒细胞集落刺激因子和干细胞因子，招募更多间充质干细胞到来并促进干细胞向血管、神经组织细胞分化，加快机体功能的改善。这些细胞分化调控因子其实是细胞分化调控的信号，通过信号转导机制在信号分子调控层面发挥作用。间充质干细胞膜上的感受器可以感受外界刺激，即接收了外部信号，导致膜电位变化，并在胞内产生第二信使激活转录因子，结果就产生了相应的分化结果。比如间充质干细胞向脂肪细胞分化的过程中，增加细胞外钾离子的浓度，可以引起间充质干细胞的去极化，引发两种脂肪细胞特异性标志分子表达的下降，结果就表现为间充质干细胞的成脂分化能力下降。环磷酸腺苷（cAMP）/蛋白激酶A（PKA）是另一条广泛存在的信号转导通路。该通路中cAMP为第二信使，随着cAMP浓度的升高PKA被激活而产生调控效应。研究显示，增加间充质干细胞内cAMP浓度，可以诱导间充质干细胞神经特异性蛋白NF200的表达并促使间充质干细胞向神经样细胞分化；增加间充质干细胞PKA活性，可以诱导间充质干细胞分泌骨生长因子并促使间充质干细胞向成骨细胞分化。研究还发现经典的Wnt通路也参与了间充质干细胞分化的调控，该通路的核心调控信号分子是β-catenin。肌肉抑制素能够以剂量依赖方式抑制间充质干细胞向脂肪细胞分化，在抑制过程中检测到了核内β-catenin浓度升高，并且证实了该分子能够下调PPARγ的表达。更深入的分子调控机制研究发现，干细胞从自我更新状态向特定谱系分化的转变过程总是伴随细胞形态和功能的改变，这些改变很大程度上由基因的差异表达决定的，细胞分化的实质是基因在不同的时间和空间选择性特异性表达的结果。具体而言，干细胞自我更新相关基因关闭，细胞类型特异性基因转录激活。因此，越来越多的研究认为干细胞分化是表观遗传学调控的过程。经典的表观遗传学定义为DNA或染色质上可有丝分裂遗传的修饰，不改变原始的核苷酸序列。基因在细胞和组织中特异性表达，传统上认为受细胞-组织中活跃的转录因子调控，但是转录因子调控一般有局限性，并且在应答环境和细胞外刺激时会迅速变化。各种各样的基因表达同时受到表观遗传系统的DNA甲基化和组蛋白修饰控制。表观遗传调控的主要内容包括：DNA的CpG二核苷酸甲基化，组蛋白翻译后的修饰，ATP依赖的染色质重塑，组蛋白和组蛋白变异体的交换以及非编码RNA分子的调控。

虽然间充质干细胞的归巢以及分化为成熟组织细胞的具体调控机制尚不完全清楚，但是间充质干细胞就像白细胞向炎性组织迁移一样迁移到损伤组织并分化的现象已在很多动物实验中得到证实，这使得间充质干细胞用于组织修复，或者用这些细胞作为生物制剂或基因良好载体开展基因治疗以修正遗传缺陷成为可能。

随着研究的不断深入，生物医学科学家们发现间充质干细胞除了上述介绍的增殖分化特性以外，还能通过分泌多种因子改善局部组织微环境或作用于远距离组织甚至全身组织细胞影响免疫等内环境，发挥营养支持、促血管生成、免疫调节等作用。研究证实，间充质干细胞分泌的生物活性物质包括：①生长因子类：如VEGF、FGF、HGF、PDGF、IGF、KGF、TGF、PGF、TGF、NGF等；②白细胞介素类：如IL-6、IL-7、IL-8、IL-11、IL-12、IL-14、IL-15等；③集落刺激因子类：如CFU-C、GM-CSF、G-CSF、M-CSF、SCF、TPO、LIF、TPO等；④趋化因子类：如中性粒细胞趋化因子（CIWC-1）、单核细胞趋化因子（MCP）等；⑤干扰素和肿瘤坏死因子类：如FIN-γ、TNF-α、TNF-β；⑥神经营养因子类：神经营养因子（BDNF）、胶质源性神经营养因子（GDNF）等；⑦酶类：金属蛋白酶、纤溶酶、COX、超氧化物歧化酶等。

间充质干细胞靶向迁移到组织损伤部位，可以分泌多种因子改善局部组织微环境、促进血管、神经或多种组织细胞再生。主要体现在两个方面：①抑制炎性反应，为组织修复提供再生环境：炎性反应是组织损伤后伴随出现的一种病理生理反应，但过强的炎性反应甚至引发连环效应，非常不利于组织的恢复，反而会加重组织应急性损伤，间充质干细胞可以分泌多种因子对抗或抑制损伤局部促炎因子分泌、同时上调抗炎因子的分泌，其结果就是控制过强的炎性反应，为干细胞分化、组织再生提供有利环境。②促进组织再生：间充质干细胞可以分泌VEGF等因子，在细胞的增殖、迁移、载附和细胞外基质形成等血管生成的多个环节，促进股骨头坏死等缺血性疾病患者血管的再生。间充质干细胞可以分泌NGF、BDNF等神经营养因子促进局部神经组织功能的恢复。间充质干细胞还可分泌一些列生长因子广泛促进局部组织细胞的生长，特别是刺激内源性干细胞或祖细胞增殖分裂，促进组织细胞新陈代谢，加快组织再生。总之，间充质干细胞发挥营养支持作用，抑制炎症因子表达，诱导巨噬细胞迁移至损伤部位，从而减少瘢痕形成，减少组织再生的抑制因素，强化组织再生因素，促进损伤组织的恢复。

间充质干细胞的另外一大生物学作用是免疫调节。间充质干细胞可以通过分泌生物活性因子和通过间充质干细胞与免疫细胞相互接触两种方式，对抗原呈递细胞、NK细胞、B细胞、T细胞、调节性T细胞等免疫细胞的影响，来发挥免疫调节作用，其中炎症因子FIN-γ、TNF-α、免疫抑制因子IL-10、IL-4、TGF-β、HCF、NO、IDO、PGE2等在间充质干细胞发挥免疫调节的过程中起着重要作用。具体来说，主要调节途径包括：①抑制T淋巴细胞的增殖活化：T淋巴细胞是特异性细胞免疫的主要执行者，间充质干细胞能够通过多种通路调节T细胞的亚群的分化、增殖和活化。间充质干细胞不表达共刺激分子，但表达的PD-Ll和PD-LZ可以和T细胞表达的PD-1分子结合合，传递免疫抑制信号，实现对T淋巴细胞增殖和活化的抑制。间充质干细胞分泌的可溶性因子IL-6、IL-8、PGE2、HGF、IDO等在免疫调节中发挥重要作用。半乳糖凝集素-1和丝氨酸蛋白酶抑制剂参与了间充质干细胞的免疫抑制作用。尤其引人注目的发现是，间充质干细胞可以诱导CD4 ⁺CD25 ⁺的Treg细胞数量增加，而且通过促进CD4 ⁺T淋巴细胞表达CTLA-4而诱导免疫耐受，间充质干细胞的这个特性可用于器官移植后移植物抗宿主病的预防。②抑制B淋巴细胞的增殖活化：B淋巴细胞是体液免疫的主要执行者。间充质干细胞可以分泌可溶性生物活性物质影响B淋巴细胞的扩增、抑制B淋巴细胞分泌产生抗体、阻碍B淋巴细胞的分化。间充质干细胞还可以下调B淋巴细胞的相关标记物的配体的表达而影响B淋巴细胞的趋化功能。③抑制NK细胞的增殖活化：NK细胞是天然免疫的重要效应细胞，可以分泌INF-γ、TNF-α等促炎性因子，在抗病毒和肿瘤免疫应答中起着关键作用。间充质干细胞可以通过多条途径改变NK细胞的表型，减少NK细胞分泌INF-γ等促炎性因子，还可通过抑制刺激NK细胞增殖的一些因子（如IL-2、IL-15等）来抑制NK细胞的增殖及其细胞毒性。④抑制DC细胞的分化和成熟：间充质干细胞能下调DC细胞表面分子CD1lc、CD83、MHC-Ⅱ及共刺激分子如CD40、CD54、CD80及CD86等的表达来抑制IL-12的分泌，从而抑制单核细胞来源的髓样DC细胞的成熟、迁移以及激活T细胞的能力，调节不同阶段DC分泌INF-γ等促炎性因子和IL-4、IL-10等抗炎因子（图2-4）。

综上所述，间充质干细胞免疫调节作用是一个十分复杂的过程，很多调控机制还不完全清楚，但可以肯定的是间充质干细胞的免疫调节作用是多种因子协同作用的结果。通常提到间充质干细胞的免疫调节能力都是指其抑制免疫反应，但研究发现在某些条件下间充质干细胞也能发挥促进炎症反应的作用，在机体内复杂的调控网络调节下实现正向调节和负向调节之间的平衡才是间充质干细胞免疫调节的最终结果，因此，准确而言，间充质干细胞发挥的不是免疫抑制，而是免疫调节作用。

经过近十余年的研究探索，生物医学科学家了解了以上间充质干细胞的生物学特性及功能之后，普遍认为间充质干细胞可以用于人类疾病的治疗，其治疗作用机制包括：①诱导分化机制：移植或靶向迁移进入特定部位的间充质干细胞可以在其定居部位的局部组织微环境条件下直接分化为成熟的功能细胞；②细胞因子机制：间充质干细胞可以分泌生长因子促进周边组织细胞生长增殖，可以分泌神经营养因子促进神经细胞的生长，分泌活性蛋白酶免受氧自由基对组织细胞的氧化损伤，多种细胞因子和活性蛋白酶共同创造有利于激活内源性干细胞的活化、有利于组织细胞再生的微环境，促进组织的修复；③血管再生机制：骨髓干细胞中存在可分化为内皮细胞的干细胞，间充质干细胞也被认为是一群异质细胞，其中表达某些抗原标志的亚群细胞也可分化为内皮细胞，这些细胞进入损伤部位后具有再生血管的作用；此外，间充质干细胞本身能够分泌生物活性因子VEGF，可以有效促进血管再生，通过再生血管，可以改善血液循环，促进干细胞的趋化作用而促进损伤的修复；④免疫调节机制：间充质干细胞通过分泌众多免疫活性因子和通过间充质干细胞与免疫细胞相互接触两种方式发挥广泛的免疫调节作用，可控制局部损伤组织发生过强的炎症反应，也可调控全身的免疫功能紊乱。

基于间充质干细胞的特殊生物学特性及上述作用机制，很自然，干细胞治疗就成为人类疾病治疗的新方法。生物医学科学家提出了以下干细胞治疗策略，并取得了许多令人鼓舞的结果。

在正常的生理条件下，机体通过细胞增殖和细胞凋亡机制维持着内环境及各组织器官结构和功能的稳定。凋亡细胞随时产生，新细胞也依赖组织特异干细胞的增殖、及时更新和补充成年组织器官中损伤、衰老、凋亡的组织细胞。比如，皮肤损伤后，皮肤干细胞及时参与了皮肤的新陈代谢，恢复了毛发生长及伤口愈合。实验证实，脑组织的内源性神经前体细胞能够促使神经细胞再生，只是作用缓慢效果甚微。如果采取干预和诱导，就可以强化这种内源性组织干细胞的生理功能，从而提升机体的生理功能。比如，加强运动能增强成年啮齿动物中枢神经系统的神经干细胞及少突胶质细胞的增殖和再生能力，损伤本身也能刺激成体神经干细胞分化成恰当的神经细胞类型。然而，组织特异性干细胞毕竟数量有限、增殖分化能力也较弱，大多数研究都认为组织特异性干细胞其实是来源于骨髓干细胞的补充，在趋化因子的指挥下，大量骨髓干细胞靶向迁移到损伤组织发挥再生修复作用。因此，使用特定细胞因子或某些药物招募更多的内源性干细胞参与组织修复就是一种非常理想的治疗策略。既然已经知道CXCL12/CXCR4轴是调控干细胞趋化的关键环节，SDF-1a信号通路是动员内源性干细胞的相关调节者，那么所有强化CXCL12/CXCR4轴正向调控因素同时弱化负向调控因素的结果都会招募更多的骨髓干细胞参与，都会有助于损伤组织的再生和修复。研究显示，给急性心肌梗死的家兔注射G-CSF，可以形成从骨髓到心脏不同浓度梯度的SDF-1a，可以从骨髓招募更多的内源性干细胞到家兔心脏。这个动物实验表明，招募内源性干细胞参与组织修复的治疗策略具有一定的可行性。事实上，干细胞动员剂已经成功用于造血干细胞的动员，造血干细胞和间充质干细胞已被成功用于新生血管的形成并恢复缺血区的正常生理功能。随着基因工程技术的日趋成熟，人工获得的一些生物活性因子已在造血系统疾病治疗中取得很大成功，比如，促红细胞生成素和粒细胞集落刺激因子在临床上已经用于激活造血前体细胞以促进红细胞的生成，达到治疗贫血等疾病的目的。还有，甲状旁腺激素能调节成骨细胞的功能，促进骨的形成，现已成功地应用于骨质疏松的治疗和骨再生。由此可见招募内源性干细胞的治疗策略的确可行有效，但是，生物活性因子的应用具有明显的不确定性，通常生物活性因子具有广泛的生物调控作用，对很多细胞都有重要的作用，很难专一地传递到具体某个作用靶点。比如，骨形成蛋白BMP2能刺激间充质前体细胞群形成骨细胞，因此有人使用BMP2来促进脊柱融合手术中创伤骨组织的愈合，其结果尚不理想，它的用途也受到质疑，因为许多研究发现了BMP2的使用可能出现不良后果，包括骨形成异常和外周感觉神经元和脊髓的脱靶效应。同样，利用神经营养因子促进受损和退化的神经系统再生及维持其神经轴突的完整性是人们想到的一个治疗方案，但大量临床试验数据表明这个方案没有取得预期的临床效果，部分试验还出现了激活中枢神经系统中的同源受体TrK等意料不到的生理反应。这些事例提示，筛选制备特异性靶向作用于间充质干细胞的生物活性因子或药物分子是解决招募内源性干细胞难题的努力方向，将发展成为一个独辟蹊径的生物制药领域。

间充质干细胞的自我更新和多向分化潜能，为临床上组织再生治疗提供了可能。一方面间充质干细胞进入特定损伤部位后可在局部组织微环境条件下直接分化为相应的功能细胞，另一方面还可以分泌多种生物活性因子刺激内源性的周边组织细胞生长增殖，当然这种增殖生长也是通过内源性组织特异性干细胞分裂增殖实现的，结果都是促进组织再生，或者至少是阻止组织进一步被破坏并帮助它修复。大量体外实验证实，间充质干细胞可以在一定条件下诱导分化为骨、软骨、脂肪、神经、肝脏、胰腺、肌肉等多种组织细胞。组织损伤或缺损，临床上最常见的要算神经损伤和骨缺损，各种创伤很容易导致神经损伤和骨折、骨不连甚至骨缺损，现有的治疗方法不多且效果不好，尤其是神经损伤，在相当长的时间内曾被认为损伤后不能再生。间充质干细胞自我更新和多向分化潜能的生物学特性很容易让临床医师想到把间充质干细胞用于治疗神经损伤和骨缺损。研究显示，静脉注射间充质干细胞治疗脑缺血动物模型，间充质干细胞可以通过血-脑屏障进入脑组织内并分化为神经元、神经胶质细胞，并激发内源性神经干细胞增殖生长，促进神经再生和血管再生，改善脑缺血动物模型的临床症状。实验研究进一步表明，如果在植入大鼠模型之前用含有神经生长因子的培养基培养间充质干细胞，然后再植入体内，大鼠的认知和行为能力都有明显的提高；如果同时联合NO治疗，则可更快促进血管和神经元细胞的再生。移植间充质干细胞治疗帕金森病，可以发现患者脑组织局部生成了更多的多巴胺，并缓解了帕金森病的临床症状。间充质干细胞移植治疗骨科疾病显示，间充质干细胞可以再生肌腱、软骨和骨组织，促进损伤组织的愈合。由于骨缺损往往出现较大的缺失空间，就算将大量的间充质干细胞直接注射到损伤部位，也很难解决缺失空间较大，不利于组织再生修复的困难。生物医学科学家将间充质干细胞种植到某种支架材料上，使细胞黏附到支架上，再移植到创伤部位，能够很好地为间充质干细胞的生存分化提供较好的微环境，很好地修复模型动物的骨缺损。复合了间充质干细胞的胶原纤维，也更好地修复了肌腱的损伤，再生的肌腱更粗壮、更成熟、生物学性能更优。这种方法应用前景广阔，被认为是未来组织修复的最好方法，也发展成为一个崭新的研究领域——组织工程。

间充质干细胞在治疗先天性骨形成不良等遗传性疾病也收到一定的效果。骨形成不良是由于不能合成Ⅰ型胶原导致骨矿减少，患者表现为多发性骨折、严重的骨畸形等临床症状。临床试验显示，移植异体间充质干细胞给骨形成不良患者3个月后，可在骨组织里检测到1.5%~2.0%的供体来源的细胞，并且骨矿含量增加，生长加速，骨折减少。异体间充质干细胞移植治疗进行性肌营养不良症患者也观察到类似的结果，提示异体间充质干细胞移植可以改善或缓解部分遗传性疾病患者的临床症状。遗传性疾病治疗的关键在于修正错误的基因表达或重建基因表达，即在体外导入或删除某一或某些基因以获得遗传修饰过的细胞，这种细胞具有正常的细胞形态和生物学功能，可以生产分泌某些治疗性蛋白等，移植这些细胞就可能从根本上治愈遗传性疾病，这已经成为生命科学领域中的研究热点和前沿课题。开展基因治疗，寻找合适的载体和供体细胞以构建基因工程细胞是技术关键。其中供体细胞要求取材方便，容易扩增培养，寿命较长，很显然，间充质干细胞是构建基因工程细胞最好的供体细胞。移植表达L-DOPA的基因工程化间充质干细胞治疗帕金森动物模型，取得了较明显的效果。Bcl-2基因修饰的间充质干细胞，体外降低了32%的死亡率，在低氧状态下增加血管内皮生长因子表达量超过50%，心室内注射这些干细胞治疗急性心肌梗死模型，梗死区的血管密度增加15%，效果好于单纯移植未经修饰的间充质干细胞治疗。

干细胞治疗缺血性疾病主要是基于干细胞可以分化内皮细胞以及本身能够分泌生物活性因子这两个功能。骨髓中存在可分化为血管内皮细胞的原始干细胞、内皮祖细胞，当它们收到缺血组织释放的趋化因子信号时，这些干细胞、内皮祖细胞就从骨髓中出来并进入到外周血中，通过血液循环并穿过血管壁到达缺血损伤部位，增殖分化成血管内皮细胞，参与血管的修复和新生血管的形成。内皮祖细胞是血管内皮细胞的前体细胞，参与胚胎期血管的发生，出生后参与血管的再生和血管内皮损伤的修复。比如心脏祖细胞被认为是存在于成年哺乳动物心脏中具有组织特异性的干细胞，能通过分化成心肌细胞和血管从而来改善心脏的功能。心脏祖细胞在健康人的心脏里数量很少，但是在损伤的心脏内其数量会很快增加。此外，间充质干细胞分泌的VEGF、FGF、HGF等生物活性因子可以刺激缺血损伤部位的内源性组织细胞增殖生长，尤其是VEGF可以有效促进血管的再生。干细胞治疗缺血性疾病最常用的是心肌缺血、脑缺血和无菌性股骨头坏死这三个领域。临床试验证明，干细胞移植和内皮祖细胞移植治疗缺血性心肌病患者，都可以明显改善患者的心功能。借助组织工程技术，还可以提高缺血性心肌病的治疗效果，甚至制造人工成血管。无菌性股骨头坏死也是一种典型的组织缺血性疾病，目前治疗方法尚不理想，可以采用X线引导下钻孔减压联合干细胞局部注射的方法，将体外制备获取的干细胞移植到股骨颈，移植的干细胞最好是自体的骨髓间充质干细胞和造血干细胞，也可以是单纯扩增获得的间充质干细胞。间充质干细胞和造血干细胞联合注射到股骨颈，一方面两种细胞互相支持有助于血管再生，另一方面局部注射提高了到达损伤部位的干细胞数量，显著高于机体招募到达的干细胞数量，提高了治疗效果。许多研究证实，干细胞治疗心肌缺血、脑缺血和无菌性股骨头坏死动物模型或患者后，通过影像学检查可以发现有新生血管产生并改善动物模型或患者的临床症状。

间充质干细胞除了自我更新和多项分化的特性之外，一个突出特性就是免疫调节，即间充质干细胞可以通过分泌生物活性因子的方式和与免疫细胞接触的方式发挥免疫调节作用。体外共培养实验证实，间充质干细胞可以抑制T淋巴细胞的增殖与活化。这首先让临床医师想到间充质干细胞用于防治移植物抗宿主病（graft-versus-host disease，GVHD）。GVHD是造血干细胞移植或器官移植后出现的一种典型的多系统损害的免疫性疾病，是导致造血干细胞或器官移植失败的主要原因之一。通常使用免疫抑制剂来控制强烈的免疫反应。树突状细胞的活化及向T淋巴细胞提呈抗原是GVHD始动的关键环节，间充质干细胞可通过抑制MHC-Ⅱ类分子及共刺激分子CD1α、CD40、CD80和CD86的表达而抑制树突状细胞的成熟和T淋巴细胞的活化，如果进行造血干细胞移植或器官移植的同时移植了间充质干细胞，就可以预防GVHD的发生。间充质干细胞还能通过抑制树突状细胞分泌TNF-α来调控IFN-γ的产出，进而抑制树突状细胞的促炎性作用。同样间充质干细胞能抑制树突状细胞的T淋巴细胞激活效应，包括T淋巴细胞增殖、CD4 ⁺T淋巴细胞分化而调节Th1/Th2之间的平衡。间充质干细胞本身不表达或低表达MHC分子及其共刺激分子，可以免受CTL和NK细胞的攻击。间充质干细胞不仅能直接抑制NK细胞的增殖，而且还可以通过抑制NK细胞的效应分子TNF-α、IFN-γ、IL-10的分泌而降低其细胞毒性，也可以通过PGE2、TGF-β、HLA-G抑制NK细胞毒性及其IFN-γ的释放而调节NK细胞。因此，移植间充质干细胞可用于治疗GVHD。动物实验显示，间充质干细胞与造血干细胞联合移植，可以很好地控制GVHD的发生，重建了机体的造血和免疫功能。不同时间输注间充质干细胞实验显示，早期接受间充质干细胞输注的小鼠GVHD发生率低而生存率显著提高，证实了间充质干细胞抑制GVHD的部分调控机制。但也有动物实验显示间充质干细胞移植不能显著提高模型动物的生存率。很多临床试验显示，造血干细胞联合间充质干细胞移植可以有效降低Ⅱ~Ⅳ度急性GVHD发生率及移植相关死亡率。间充质干细胞移植也可降低慢性GVHD的发生率。但也有研究结果显示间充质干细胞移植虽能促进造血干细胞成活，但未观察到GVHD发生率降低，或者可以减少GVHD发生，但可能增加白血病复发的风险。由于间充质干细胞防治GVHD初步显示了良好的效果，不仅简单易行，而且在一定程度上解决了GVHD这个医学难题，间充质干细胞已被加拿大、韩国、新西兰几个国家批准为儿童急性GVHD的治疗药物。

自身免疫性疾病是对临床上常见的由于免疫系统对自身机体组织发生免疫反应、造成机体免疫功能紊乱为特征的一大类疾病的总称。自身免疫性疾病主要是机体过度免疫反应产生了大量免疫细胞和免疫球蛋白，导致机体全身或局部某些器官损害。间充质干细胞在防治GVHD方面取得的进展，鼓舞了生物医学科学家尝试间充质干细胞治疗自身免疫性疾病的探索，并取得了长足进展。比如，动物研究表明间充质干细胞可以通过重建机体免疫耐受和免疫应答平衡，降低1型糖尿病动物模型的血糖，缓解了临床症状。系统性红斑狼疮是比较常见的一种自身免疫性疾病，国内孙凌云教授课题组开展的间充质干细胞治疗系统性红斑狼疮临床试验显示，异体骨髓或脐带来源的间充质干细胞移植治疗系统性红斑狼疮患者均安全有效，血清白蛋白及补体C3水平移植后显著升高，SLEDAI评分、24小时尿蛋白定量、血清肌酐及尿素氮、血清主要自身抗体显著下降。平均随访27个月的结果显示，94%患者存活，第4年随访完全缓解率为50%，维持缓解最长时间为42个月，总体复发率为23%，仅有8%的患者对间充质干细胞治疗无临床反应。

间充质干细胞移植治疗GVHD和系统性红斑狼疮等免疫性疾病显示了良好的应用前景，验证了干细胞治疗策略的可行性及部分作用机制，目前的研究结果至少可以减少免疫抑制剂的用量、一定程度上改善患者的生活质量、提高患者生存率，值得进一步深入研究。

间充质干细胞具有自我更新、多向分化潜能和分泌多种生物活性因子的功能，在用于治疗多种人类疾病时就不可能像上述分别介绍的治疗策略那样单独发挥生物学效应，理论上来说，移植进入机体的间充质干细胞一定会兼有多向分化及免疫调节等多重功能，一定会发挥免疫调节作用的同时，在多种信号分子介导下靶向迁移到受损部位，并通过旁分泌效应产生大量生长因子或分化为组织细胞以修复受损的组织器官，包括治疗免疫性疾病也如此。干细胞抗衰老是近年来生物医学研究的热点之一。机体衰老有多种学说，有的学者认为衰老是体细胞不断突变死亡的结果，有的学者认为衰老是体内各种氧自由基对机体组织细胞氧化损伤的结果，有的学者认为衰老是神经内分泌调节失衡的结果，有的学者认为衰老是机体免疫功能紊乱的结果，有的学者认为衰老是组织细胞过度凋亡的结果，还有的学者认为衰老是细胞端粒不断缩短的结果。不同的衰老学说都从某一个方面解释了衰老发生发展的一些规律和现象，其实这些学说描述的规律和现象都几乎不同程度地同时存在于同一个衰老的机体，而众多间充质干细胞抗衰老的研究也不同程度地观察到了这些衰老指标的改变。间充质干细胞可能是通过靶向迁移、分化并替代了突变或氧化而凋亡的机体组织细胞，也可能是通过分泌生物活性因子纠正了神经内分泌的失衡或免疫功能的紊乱，还有可能是通过分泌超氧化物歧化酶对抗了氧化应激，也还有可能是分泌了其他生物活性因子激活了端粒酶而缓解了端粒的缩短。可见，间充质干细胞在体内的生物学效应肯定是多种途径共同作用的结果。人类很多疾病，本质上都属于干细胞疾病，在病理生理过程中都与干细胞有关，或干细胞基因突变，比如肿瘤、骨形成不良、肌营养不良症等；或干细胞数量不足，比如创伤所致组织器官损伤、缺血性疾病等；或干细胞活性减弱，比如衰老相关的各种退行性疾病等；或干细胞分化异常，比如自身免疫性疾病等。广义而言，无论通过招募内源性干细胞，还是通过静脉、动脉或介入等方式移植外源性干细胞到受损伤部位，调节机体全身或局部免疫功能或炎症反应、或者替代或补充病变部位的干细胞，促进病变组织或器官功能的恢复，都可以算干细胞治疗。狭义地讲，干细胞移植特指造血干细胞移植，细胞来源可为自体或异体骨髓、动员的外周血或者脐带血。间充质干细胞治疗，尤其是异体间充质干细胞治疗，也应属于干细胞移植范畴。

从理论上来说，招募或激活内源性干细胞来修复和再生组织、实现治疗干细胞疾病是最理想的策略。因为这个治疗方案有许多明显优势，既符合生理学意义上机体的发育发展变化规律，又能减少对干细胞数量的需求及无须分离纯化的烦琐操作，尤其适合衰老相关疾病的治疗，甚至人类疾病的预防和延缓衰老都应该基于招募或激活内源性干细胞这个基本理论观点来考虑。然而如何才能招募到大量所需要的干细胞以重建组织器官，干细胞如何从骨髓迁移到受伤组织、涉及的生物信号调控机制是什么，这些问题至今尚不完全清楚，需要进一步深入研究，更需要研发特异性更强的干细胞动员药物、设计更理想的治疗方案。

补充外源性干细胞无疑是干细胞移植的主要内容。招募或激活内源性干细胞的设想优点很多，但长期的内源性激活会不会耗竭干细胞？老年机体组织发出的刺激干细胞调节修复的信号，也需要有活性和功能很强的细胞来传递或执行，老年机体的内源性干细胞也会因为衰老而遭到破坏，况且内源性干细胞数量极为有限、修复能力也是有限的。因此，外源性的干细胞移植无可替代。

间充质干细胞最早发现于骨髓，后来知道其存在于人体几乎所有组织。现有方法可以从骨髓、脂肪、脐带、胎盘等多种组织中分离扩增获得大量间充质干细胞。常用的骨髓间充质干细胞分离方法有贴壁培养法、密度梯度离心法、流式细胞仪或免疫磁珠分选法。密度梯度离心法是根据骨髓中细胞成分比重的不同，可以获得原代细胞，可能包括了骨髓中处于不同分化阶段的所有原始干细胞，这种方法获取的混合细胞比较适于定点移植到局部位置促进组织再生，比如股骨颈局部注射可以很好地再生血管和骨组织。可能这种疗法最接近于招募内源性干细胞，植入的细胞中可能含有特异性分化为血管和骨的干细胞，比如血管内皮祖细胞。采用流式细胞仪或免疫磁珠分选法可以获得表达某个特异性抗原表面标志的细胞，比较适于科学研究，且分离成本高、技术难度大，并且对细胞的活性影响较大而未广泛应用。间充质干细胞的一个重要特性就是黏附生长，因此可以采用贴壁培养法从骨髓或脐带等多种组织分离扩增获得大量间充质干细胞。这方法的优点显然就是可以获得足够数量的间充质干细胞，缺点就是干细胞经过体外扩增培养，很有可能丢失某些原代原始干细胞的生物学特性，甚至丧失间充质干细胞的干性，更有甚者导致间充质干细胞恶变。

从骨髓分离扩增获取间充质干细胞，可以实现自体移植，比较适于各种组织细胞缺损、坏死，甚至退行性病变导致的疾病，间充质干细胞移植主要的预期目标是通过植入细胞再生，以替代或补充缺失、退变或坏死的组织细胞，理论上植入的干细胞可以长期存活，并在机体相同的内环境内生存演变。但间充质干细胞来源有限，特别是间充质干细胞的数量和活性易受供体年龄的影响。

从骨髓以外组织分离扩增获取间充质干细胞是近年来的一个努力方向。比如脐带，作为分娩的废弃物，取材方便，不会给胎儿及产妇带来痛苦，脐带来源间充质干细胞与骨髓来源间充质干细胞比较相似，因来源于胚胎附属组织，脐带来源间充质干细胞被认为具有更好的干细胞活性。很显然，脐带间充质干细胞比较适于免疫调节等主要依赖间充质干细胞分泌生物活性因子发挥作用的疾病的治疗，脐带间充质干细胞也像骨髓间充质干细胞一样，异体移植不会引发免疫排斥反应。

事实上，至今国内外生物医学科学家已经开展了很多自体来源间充质干细胞或异体来源间充质干细胞治疗神经、血管、骨、肝脏、胰腺、肺等组织器官损伤的实验研究，取得了很多有意义的进展。主要体现在三个方面：①认识到人类很多疾病的发生发展与干细胞密切相关，比如肿瘤的发生、机体的衰老等；②间充质干细胞可以通过多向分化和分泌功修复机体组织而用于各种损伤疾病的治疗；③间充质干细胞可以通过调节机体免疫平衡用于各种免疫性疾病的治疗。这些研究进展描绘了再生医学美好的应用前景，然而，多数间充质干细胞治疗神经系统疾病、心肌梗死、神经肌肉病等实验结果显示，植入细胞在体内分布数量较少，细胞是否能在体内长期存活并发挥成熟细胞功能也尚需长期追踪观察，不少学者认为间充质干细胞治疗的功能更多体现在移植细胞的旁分泌作用，也就是间充质干细胞分泌的各种生物活性因子发挥了更显著的作用。但是，生物活性因子在体内的作用易受空间及时间上的限制，比如，GVHD发生发展的机制大致相同，运用间充质干细胞治疗GVHD虽然成效明显，但还是出现很多意想不到的无效结果，自身免疫性疾病众多，发病机制不尽相同，而且绝大多数自身免疫性疾病的发病机制至今知之甚少，如果采用间充质干细胞治疗自身免疫性疾病，情况会更加复杂，结果会更难以预料。为了解决这些难题，未来基于间充质干细胞的再生医学研究需要以下几方面作出努力：①建立体外维持干细胞干性以及获取干性较强间充质干细胞的技术方法，为开展间充质干细胞临床应用提供最佳的种子细胞；②进一步深入研究间充质干细胞自我更新、归巢及多向分化的调控机制，为开展间充质干细胞临床应用提供最有利于间充质干细胞归巢到损伤组织并分化的技术方法；③进一步深入研究间充质干细胞分泌生物活性因子以及免疫调节的作用机制，为筛选间充质干细胞临床应用的适应证提供理论依据；④进一步深入研究间充质干细胞临床应用适应证的病理生理机制，为制订间充质干细胞临床应用技术方案提供理论依据；⑤深入研究异体间充质干细胞在体内的生存演变规律研究，探索异体间充质干细胞移植治疗的细胞剂量和治疗时机。随着干细胞研究的不断进步，相信再生医学将迎来更美好的明天。