骨髓基質干細胞的應用研究表明，骨髓內含有多種干細胞，其中骨髓源的間充質干細胞又被稱為骨髓基質干細胞(bone marrow stem cell，BMSC)。各國學者對動物來源的BMSC進行了大量的研究，結果證實可以在體內外定向分化為軟骨細胞、成骨細胞及脂肪細胞等多種中胚層來源的細胞。BMSC是目前組織工程種子細胞研究的焦點。作為組織工程種子細胞具有以下優點：取材操作相對簡單，對機體損傷小；抽取骨髓后，機體可自行修復、補充相應的細胞成分，因而可重復取材；培養體系成熟，便于推廣應用；體外誘導技術基本成熟，容易達到預期結果。因此，在一定程度上可以說是一種理想的種子細胞。通過微創取材，得到少量的種子細胞，在體外大量擴增，然后用于新組織的構建，從而實現無創或微創愈合的完美的外科治療效果。目前，國內外對BMSC的研究已較為深入，大量文獻報道了其成功向軟骨細胞、成骨細胞、脂肪細胞誘導的現象及應用于組織缺損修復，甚至初步應用于臨床。1．成軟骨誘導BMSC向軟骨細胞的誘導分化的相關研究很多，目前較肯定的誘導因子主要有：TGF-β(transforminggrowthfactor-β，TGF-β)1、2、3，骨形態發生蛋白(bone morphogenetic protein，BMP)2、6、9、13，胰島素樣生長因子-1(insulin-like growth factor-1，IGF-1)，軟骨源性發生蛋白cartilage-derived morphogenetic protein，CDMP)1、2及地塞米松等。TGF-β主要作用于誘導的早期階段，一般認為通過其受體激活Smad傳導通路而啟動軟骨特異性基因的轉錄，主要是上調Ⅱ型膠原的表達與合成。BMP2、6等則可明顯增強聚集蛋白聚糖(aggrecan)的表達與合成。IGF-l能明顯提高上述兩類因子的效能，增強它們的誘導作用，并能維持誘導后細胞的軟骨表型與功能。CDMP是軟骨分化早期的一類誘導因子，在胚胎肢體形成與軟骨發育方面具有重要作用，可促進未分化的間充質細胞向軟骨細胞分化。地塞米松是一種多效能的誘導因子，它能促進向軟骨細胞、成骨細胞及脂肪細胞等多種方向的分化。此外，一些有利于軟骨細胞保持分化狀態的因素也具有不同程度的誘導作用，如低氧濃度、低血清濃度或無血清培養及高密度聚集培養等。但目前大多數研究僅限于在體外成軟骨誘導分化，體內實驗多數在關節內進行，這可能與誘導的在體內異位(如皮下)成軟骨能力較低有關。研究表明，TGF-p1與地塞米松誘導后，BMSC可大量表達軟骨細胞特異性的細胞外基質成分，但與聚環氧乙丙烯(pluronic)混合后，注射到裸鼠或豬自體皮下均不能形成成熟軟骨組織，而是形成血管化明顯的纖維樣組織；但是將其注射到關節內環境中，則能形成成熟軟骨組織，甚至修復關節軟骨全層缺損。這說明關節內微環境有利于BMSC向軟骨細胞分化。總之，盡管BMSC向軟骨細胞分化的機制尚未完全明了，但研究人員已經掌握了其向軟骨細胞誘導分化的成熟方法，因此，未來廣泛應用于臨床的可能性大大增加。 2．成骨誘導BMSC體外培養中不但能分化為骨、軟骨等多種細胞，而且在體外長期傳代后仍能保持其成骨潛能。在BMSC的多向分化潛能中，其成骨能力表現得尤為明顯。在體外培養時向培養液中加入p-磷酸甘油、地塞米松及維生素D：等骨誘導成分后，BMSC便逐漸表現出成骨細胞的表型：細胞呈梭狀，能自發地形成鈣鹽沉積，形成特征型的鈣結節，肉眼觀察可見培養皿底部形成多個結節樣結構。多種組織學染色方法可證明鈣結節的存在：茜素紅染色(ARSstain)形成紅色的結節，vonKossa染色形成黑色的結節。BMSC經成骨誘導后7天即可表現出堿性磷酸酶的顯著增加。各種成骨特異性蛋白，如骨鈣蛋白(osteocalcin，OCN)、骨橋蛋白(osteopontin，0PN)以及骨涎蛋白(bone sialoprotein，BSP)等，也陸續開始表達。 3．BMSC修復關節軟骨缺損軟骨缺損是創傷治療領域的一大難題。由外傷、腫瘤或軟骨退行性病變所引起的關節軟骨缺損，在臨床上尚無有效的修復方法，最終將導致關節功能喪失，甚至殘廢，給患者帶來嚴重的身心痛苦。人工關節置換術目前雖頗為盛行，但其有限的使用壽命及在體內可能引發的假體松動、毒性等一系列問題尚未得到妥善解決，尤其不適合年輕患者。因此，尋求一種生物性表面重建(biological resurfacing)方法，以便從根本上解決這一難題，成為臨床的迫切需求。半個多世紀以來，人們先后研究了軟骨移植、軟骨膜移植、骨膜移植等多種修復方式，但大多形成以纖維軟骨組織為主的假性修復，并伴隨遠期退化，根本無法滿足臨床要求。體外軟骨細胞培養的成功，使得人們嘗試直接以軟骨細胞修復關節軟骨缺損。將軟骨細胞懸液注射到關節軟骨缺損部位，結果表明，缺損為纖維組織修復，鏡下僅見少量新生軟骨細胞結節。BMSC同時具有成軟骨與成骨潛能，理論上應是修復關節軟骨與骨復合缺損的最佳種子細胞。在關節負重部位制造大面積全層關節面缺損，然后取自體的BMSC經體外大量擴增、成軟骨誘導后，與可吸收支架材料聚乙醇酸復合后，用于修復關節缺損。研究結果表明，缺損不僅得到了良好的修復，而且其修復質量甚至超過了以自體軟骨細胞為種子細胞的修復，表現為軟骨缺損為組織工程化軟骨組織修復，而深部的骨缺損則為組織工程化骨組織修復。因此，BMSC不但能在體外形成軟骨、骨組織，還能在體內原位修復組織缺損。 4．BMSC在臨床的初步應用各種外傷和腦外科術后造成的顱骨缺損是臨床常見疾病，當缺損面積大于顱骨面積的1/10后，即不能通過周圍骨組織再生修復缺損。目前常用的治療方法如自體骨移植、異體骨移植及各種材料修復均存在不同程度的缺陷，并導致多種并發癥。以BMSC為種子細胞，與可降解材料復合后回植到體內，隨著材料的逐步降解，細胞分泌細胞外基質，最終形成具有生理功能的骨組織，有望成為一種骨缺損修復的全新治療模式。以天然可吸收材料(如部分脫鈣骨)為支架，利用經體外成骨誘導的自體hBMSC為種子細胞，進行組織工程技術修復人顱骨缺損的研究目前已在國內成功開展。通過三維CT及多項檢測技術，可檢測組織工程骨在人體內的形成過程及組織工程骨的結構和生物化學組成。三維CT結果顯示：骨缺損區被填充，術后3～6個月，三維CT示置人的細胞材料復合物形成高密度影，提示組織工程骨形成并修復骨缺損區。術后6～48個月，三維CT示形成的組織工程骨穩定存在，且未觀察到明顯骨吸收現象，CT平掃可見組織工程骨和鄰近骨存在融合現象。組織學檢測結果顯示形成的組織工程化骨的外圍為正常骨小梁樣結構，并可見軟骨陷窩，說明這是典型的軟骨內化骨過程。免疫組織化學檢測顯示，新生組織也表達骨橋蛋白和骨粘連蛋白等骨組織特異性蛋白質。組織工程骨在顱骨缺損修復中的應用結果已體現出其明顯優勢：從少量骨髓中分離hBMSC，經體外大規模擴增后修復大塊骨缺損，改變目前骨缺損治療中供區骨來源不足的問題，避免對自體骨供區的進一步損傷；經最長2年的隨訪，形成的組織工程骨穩定，生理功能正常。與傳統自體骨移植治療方法相比，組織工程技術修復缺損可不受缺損面積的限制，不造成供區的組織缺損和功能障礙，因此可達到無創修復大面積骨缺損的目的，易于被患者接受。