調(diào)節(jié)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的微環(huán)境因素研究進(jìn)展

陳雪，鄧子翔，牛云飛

(1.海軍軍醫(yī)大學(xué)，上海 200433；2.長海醫(yī)院創(chuàng)傷骨科，上海 200433)

19世紀(jì)六七十年代，Bianco等[1]發(fā)現(xiàn)骨髓中含有一種能自身繁殖的間質(zhì)細(xì)胞群，簡稱成纖維細(xì)胞集落形成單位(colony forming unit of fibroblast，CFU-F)。研究發(fā)現(xiàn)，這是一類廣泛存在于骨髓及間葉組織中的細(xì)胞，具有多向分化潛能，學(xué)者們將此類細(xì)胞稱為間充質(zhì)干細(xì)胞(mesenchymal stem cell，MSC)。MSC周圍的細(xì)胞和微環(huán)境精確調(diào)節(jié)間充質(zhì)干細(xì)胞的動態(tài)平衡。微環(huán)境因子失調(diào)會引起間充質(zhì)干細(xì)胞功能增強(qiáng)或減弱。骨髓MSC功能減弱會導(dǎo)致組織再生的障礙，如骨質(zhì)疏松；反之，MSC功能增強(qiáng)會導(dǎo)致間充質(zhì)組織異位生長，如異位骨化。無論是獲得性還是遺傳性異位骨化，為通過模型研究MSC功能增強(qiáng)與疾病的關(guān)系提供了可能。

骨髓MSC常被作為細(xì)胞再生療法的理想供體細(xì)胞，但只有少數(shù)研究關(guān)注活體微環(huán)境對骨髓MSC的作用。了解微環(huán)境因子失調(diào)如何導(dǎo)致骨髓間MSC下游的病理生理過程，將為最終明確骨髓MSC的分化及生理功能打下基礎(chǔ)，下面對影響骨髓MSC分化的微環(huán)境因素進(jìn)行綜述。

1 影響骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的微環(huán)境因素

1.1 炎癥因子 腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor，TNF-α)是一種促炎性細(xì)胞因子，它可以抑制或促進(jìn)骨髓MSC的成骨分化。研究表明[2]，TNF-α可以抑制MSC的成骨分化和骨骼的形成。在雌激素缺乏致骨質(zhì)疏松的小鼠模型[3]中，TNF-α可以通過β-蛋白信號通路抑制3B腦信號蛋白，進(jìn)而抑制骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨分化。TNF-α通過減少miR-17的表達(dá)、上調(diào)泛素連接酶(Smadubiquitylation regulatory factor-1，Smurf-1)水平，抑制人牙周韌帶組織來源的間充質(zhì)干細(xì)胞成骨分化。Yang等[4]發(fā)現(xiàn)TNF-α在強(qiáng)直性脊柱炎細(xì)胞環(huán)境中促進(jìn)人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞增殖及成骨分化，因肽基精氨酸脫氨酶Ⅳ型(peptidyl arginine deiminase type Ⅳ，PADI4)的沉默而衰減。研究發(fā)現(xiàn)TNFα和白細(xì)胞介素-1β(Interleukin-1β，IL-1β)可以刺激骨外植體中培養(yǎng)的人間充質(zhì)干細(xì)胞組織非特異性堿性磷酸酶(tissue non-specific alkaline phosphatase，TNAP)的活性和鈣化。TNF-α和脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)也可以刺激堿性磷酸酶(alkaline phosphatase，ALP)活性，在有或無骨形態(tài)發(fā)生蛋白(bone morphogenetic protein-2，BMP-2)成骨細(xì)胞培養(yǎng)基中培養(yǎng)的骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞都可使骨基質(zhì)鈣化[5]。同樣，細(xì)胞因子激活的炎癥中，人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞促進(jìn)成骨細(xì)胞的增殖、遷移、分化和鈣化[6]。在燒傷誘導(dǎo)的異位骨化中，包括TNF-α在內(nèi)的炎癥因子對燒傷小鼠[7]脂肪來源的間充質(zhì)干細(xì)胞有促進(jìn)成骨的作用。

其他炎性因子對于MSC發(fā)揮了相似的作用。IL-1β對成骨細(xì)胞分化有抑制作用，但可以增強(qiáng)在體外培養(yǎng)的人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞鈣化。IL-17A和IL-17F可以增強(qiáng)人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨分化[8]。炎癥因子能影響間充質(zhì)干細(xì)胞的干性。通過核因子κB(nuclear factor-κB，NF-κB)信號通路介導(dǎo)的卵巢切除的小鼠中轉(zhuǎn)化生長因子β超家族抑制蛋白7(signaling pathway-mediated activation of mothersagainst decapentaplegic homolog 7，SMAD7)的活化，說明干擾素-γ(Interferon，IFN-γ)和TNF-α能協(xié)同地?fù)p害間充質(zhì)干細(xì)胞的自我更新和分化。雖然IFN-γ調(diào)節(jié)人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的分化潛能，但它對人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的自我更新能力并沒有發(fā)揮重要的影響作用。無論是人類還是小鼠，在異位骨化中IL-6血清濃度、神經(jīng)炎癥因子的水平以及物質(zhì)P含量都有所增加，這是由于疾病過程中炎癥的持續(xù)性作用?；|(zhì)細(xì)胞衍生因子1(stromal cell derived factor，SDF-1)是一種趨化因子，它通過趨化因子受體(chemokine receptor 4，CXCR4)調(diào)節(jié)細(xì)胞交通和歸巢，在向靶組織招募間充質(zhì)干細(xì)胞中起著重要的作用。但在大鼠骨折模型[9]中，SDF-1對間充質(zhì)干細(xì)胞增殖或成骨分化沒有必要作用。SDF-1能夠調(diào)節(jié)BMP-2誘導(dǎo)的人源和鼠源的骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨分化。

綜上所述，炎性因子特別是促炎性細(xì)胞因子，對各種不同情境中的不同譜系間充質(zhì)干細(xì)胞增殖或成骨分化起著至關(guān)重要的作用，部分細(xì)胞因子可以幫助調(diào)節(jié)間充質(zhì)干細(xì)胞自我更新(見表1)。

表1 炎癥因子對骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞分化的作用

1.2 細(xì)胞因子和多肽 許多細(xì)胞因子調(diào)節(jié)間充質(zhì)干細(xì)胞的干性和成骨分化，包括生長因子、激素和一些小分子。在創(chuàng)傷引起的異位骨化患者中，許多細(xì)胞因子的水平增高，包括BMP-1、生長分化因子11(growth differentiation factor，GDF11)和轉(zhuǎn)化生長因子β1(transforming growth factor，TGF-β1)，而其他如BMP4，BMP5和生長分化因子10(growth differentiation factor 10，gdf10)則水平降低。BMP-2是一種骨誘導(dǎo)蛋白，在異位骨化中起著重要的作用。血小板衍生生長因子(platelet derived growth factor，PDGF)在組織損傷后作為間充質(zhì)干細(xì)胞的趨化因子。分離的創(chuàng)傷或多發(fā)性創(chuàng)傷患者(與異位骨化相關(guān))血清誘導(dǎo)人工培養(yǎng)的間充質(zhì)干細(xì)胞的增殖，在一定程度上與PDGF濃度相關(guān)[10]，并且骨髓中間充質(zhì)干細(xì)胞數(shù)量與血清血小板衍生因子AA或BB(PDGF-AA/-BB)濃度也是相關(guān)的。富血小板纖維蛋白(platelet rich fibrin，PRF)緩慢持續(xù)釋放多種自體生長因子，Wang等[11]發(fā)現(xiàn)在體外PRF刺激骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞增殖和成骨，并且與無PRF組相比，間充質(zhì)干細(xì)胞與PRF共同注入嚴(yán)重聯(lián)合免疫缺陷小鼠組，會導(dǎo)致更多、更致密的新異位骨。

雌激素通過維持成骨細(xì)胞介導(dǎo)的骨形成和破骨細(xì)胞介導(dǎo)的骨重吸收來維持骨量。Chen等[12]發(fā)現(xiàn)在雌激素治療絕經(jīng)后婦女骨質(zhì)疏松時，雌激素受體和ALP的mRNA表達(dá)增加，但骨鈣素和IL-6減少，說明雌激素可能對骨質(zhì)疏松女性骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨細(xì)胞分化有顯著的影響。研究發(fā)現(xiàn)雌激素受體基因多態(tài)性與脊柱后縱韌帶骨化(ossification of posterior longitudinal ligament，OPLL)有關(guān)，并且3.17β-雌二醇刺激培養(yǎng)的患者脊柱后縱韌帶骨化，可以促進(jìn)骨鈣素(osteocalcin，BGP)的形成，它是絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥患者骨形成的特異性標(biāo)記。

細(xì)胞因子還可以幫助維持間充質(zhì)干細(xì)胞干性。堿性成纖維細(xì)胞生長因子(basic fibroblast growth factor，bFGF)與維護(hù)更高程度的人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞干性有關(guān)。在體外堿性成纖維細(xì)胞生長因子刺激小鼠骨髓來源的間充質(zhì)干細(xì)胞，可以影響干性的程度。bFGF處理后的間充質(zhì)干細(xì)胞植入體內(nèi)時，招募宿主細(xì)胞，具有激活內(nèi)源性再生機(jī)制的能力。血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)在人類間充質(zhì)干細(xì)胞介導(dǎo)的心肌再生中起關(guān)鍵作用。C3H/10T1/2的間充質(zhì)干細(xì)胞細(xì)胞系，其自身分泌細(xì)胞因子，如胰島素樣生長因子-1(Insulin-like growth factor，IGF-1)，這有助于調(diào)節(jié)組織再生[9]。

也有研究認(rèn)為，bFGF會降低精原干細(xì)胞/骨髓基質(zhì)干細(xì)胞的干性(spermatogonialstemcells，SSCs/Bone MSCs)，可能由于bFGF可以促進(jìn)細(xì)胞增殖，而不是自我更新。bFGF刺激SSCs/Bone MSC在體內(nèi)沒有骨髓處擴(kuò)展增殖形成骨，提示bFGF可能將干細(xì)胞推向成骨的狀態(tài)。

總的來說，多種細(xì)胞因子都與間充質(zhì)干細(xì)胞功能增強(qiáng)有關(guān)，即增強(qiáng)間充質(zhì)干細(xì)胞自我更新和增殖能力，或增強(qiáng)成骨細(xì)胞的分化(見表2)。

表2 細(xì)胞因子和多肽對骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞分化的作用

1.3 細(xì)胞外基質(zhì) 細(xì)胞外基質(zhì)(extracellular matrix，ECM)對保留間充質(zhì)干細(xì)胞干性發(fā)揮重要作用。Xiong等[13]發(fā)現(xiàn)，脫細(xì)胞基質(zhì)涂層能幫助維持小鼠脂肪來源培養(yǎng)的干細(xì)胞的干性。Rakian等[14]將人類原發(fā)性間充質(zhì)干細(xì)胞培養(yǎng)在骨髓來源無血清的細(xì)胞外基質(zhì)，比較集落形成和分化，發(fā)現(xiàn)骨髓來源細(xì)胞外基質(zhì)提供了一個獨立的微環(huán)境，它維持間充質(zhì)干細(xì)胞集落形成的能力，同時維持干性。人類基質(zhì)細(xì)胞衍生的細(xì)胞外基質(zhì)能提高人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞增殖能力，維持他們的分化能力[15]。

對于人類骨髓來源的間充質(zhì)干細(xì)胞的分化，Hoch等[16]建立了一種細(xì)胞分泌的、脫細(xì)胞的細(xì)胞外基質(zhì)，其中以糖蛋白為主，它提示以趨化因子和生長因子的形式支持細(xì)胞黏附分子。這個基質(zhì)可能指示細(xì)胞的命運(yùn)，通過展示了一個復(fù)雜的生理相關(guān)的環(huán)境可以更好的保護(hù)產(chǎn)生表型的間充質(zhì)干細(xì)胞，并穩(wěn)定成骨細(xì)胞的表型。Gawlitta等[17]發(fā)現(xiàn)，作為支架，未接種的脫細(xì)胞軟骨基質(zhì)本身很少引起軟骨內(nèi)成骨的再生。而預(yù)接種人骨髓來源軟骨中的間充質(zhì)干細(xì)胞在脫細(xì)胞水解乳蛋白培養(yǎng)基上，可以恢復(fù)其在異位骨化的潛能。富含半胱氨酸基質(zhì)信號蛋白(cysteine-rich protein 61，Cyr61或CCN1)是一種在癌細(xì)胞中高表達(dá)的成分，也可以在骨髓來源的間充質(zhì)干細(xì)胞分泌物中發(fā)現(xiàn)。CCN1能調(diào)解Wnt信號通路蛋白來源的間充質(zhì)干細(xì)胞細(xì)胞系的成骨分化，并且可以促進(jìn)體內(nèi)外小鼠軟骨初代間充質(zhì)干細(xì)胞成軟骨分化。

人造生物材料也可以高仿一些細(xì)胞外基質(zhì)的微環(huán)境效應(yīng)。例如，磷酸鈣中的羥基磷灰石泡沫可以代替骨。Viti等[18]用基因表達(dá)芯片來研究磷酸鈣誘導(dǎo)的體外人骨髓來源間充質(zhì)干細(xì)胞分化中可能涉及的通路，以及與成骨分化相關(guān)的一些基因表達(dá)增多，包括骨橋蛋白抗體、唾液酸蛋白和一些骨形態(tài)發(fā)生蛋白。已經(jīng)有許多關(guān)于構(gòu)建人工生物材料的嘗試，通過用重組細(xì)胞外基質(zhì)蛋白和多肽涂覆材料表面或采用脫細(xì)胞同種異體或異種組織作為支架，以求更充分的模仿間充質(zhì)干細(xì)胞生物學(xué)效應(yīng)。在一般情況下，前者未能捕捉到天然細(xì)胞外基質(zhì)的復(fù)雜組成和結(jié)構(gòu)特征，后者則擔(dān)心重復(fù)性、可用性和免疫反應(yīng)。

1.4 力學(xué)因素 研究細(xì)胞外基質(zhì)的力學(xué)因素或生物物理方面是有必要的，因為微環(huán)境的這一方面也對干細(xì)胞行為產(chǎn)生重要影響，特別是間充質(zhì)干細(xì)胞的譜系特異性分化，對于開發(fā)組織工程和再生醫(yī)學(xué)的生物材料也是必不可少的。

骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的體內(nèi)力學(xué)微環(huán)境是由內(nèi)在剛度、組成、細(xì)胞外基質(zhì)的位形和外在對基質(zhì)施壓負(fù)重(如流體流動、壓縮、靜水壓力和張力)所確定的[19]。間充質(zhì)干細(xì)胞有大量的膜蛋白和細(xì)胞骨架成分，可以感知和響應(yīng)它們所處的力環(huán)境。但對體內(nèi)確切的力機(jī)制仍知之甚少，目前尚無關(guān)于異位骨化背景下間充質(zhì)干細(xì)胞力學(xué)機(jī)制的具體研究，也沒有可以用來進(jìn)行系統(tǒng)研究完善的體內(nèi)系統(tǒng)。目前為止大多數(shù)研究探討骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞力生物學(xué)時已經(jīng)使用2D/3D體外試驗。

體外實驗均表明基質(zhì)或基質(zhì)剛度在調(diào)節(jié)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞向特定譜系分化方面起到關(guān)鍵作用。接種到軟基質(zhì)骨髓的間充質(zhì)干細(xì)胞更多的向脂肪細(xì)胞和軟骨細(xì)胞分化，而接種在剛度基質(zhì)的骨髓的間充質(zhì)干細(xì)胞有較強(qiáng)的肌性分化潛能，這種差別不依賴于化學(xué)和生物化學(xué)誘導(dǎo)劑。牽引力和剛度基質(zhì)介導(dǎo)與整合素結(jié)合，直接作用于間充質(zhì)干細(xì)胞譜系改變。相比于剛度，盡管細(xì)胞形狀已經(jīng)被證明可以影響細(xì)胞分化方向，但在文獻(xiàn)中仍無法確定。

流體剪切力、靜水壓、周期性壓力和其他外在的機(jī)械力學(xué)因素，也可以影響細(xì)胞的行為。振蕩流體流動可以調(diào)節(jié)干細(xì)胞，灌注系統(tǒng)有促進(jìn)間充質(zhì)干細(xì)胞成骨的作用。靜水壓是一種不變形的機(jī)械性刺激，可以增加人類骨髓基質(zhì)細(xì)胞軟骨形成基因的表達(dá)，而對成骨基因無明顯影響。它可以減少骨髓鈣化和長期瓊脂培養(yǎng)的髕下脂肪來源的間充質(zhì)干細(xì)胞[20]。兔骨髓來源間充質(zhì)干細(xì)胞受壓是對軟骨預(yù)形成非常強(qiáng)大的刺激。在無外源性生長因子刺激的間充質(zhì)干細(xì)胞中，壓力可以增加軟骨形成基因的表達(dá)，提示單純壓力也可以誘導(dǎo)軟骨形成。

總體來說，即使有一些初步證據(jù)，仍需要進(jìn)一步的研究來清晰地解釋間充質(zhì)干細(xì)胞是如何對體內(nèi)復(fù)雜的機(jī)械刺激感知和做出反應(yīng)。

1.5 其他微環(huán)境因子 許多其他因子也涉及了間充質(zhì)干細(xì)胞種群的維護(hù)和分化。例如，瘦素是一種維持能量平衡的脂聯(lián)素，在小鼠骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞中至少表達(dá)一個亞群，在間充質(zhì)干細(xì)胞成骨分化的外周調(diào)控中起著重要的作用。胎球蛋白A主要在肝臟合成，可以降低割腱大鼠發(fā)生異位骨化的可能[21]。Tuylu等[22]在鈣化組織中發(fā)現(xiàn)了豐富的胎球蛋白A。這些數(shù)據(jù)提示，胎球蛋白A可能是強(qiáng)直性脊柱炎異位骨化過程中反饋回路的一部分。1，25-二羥維生素D(1，25-dihydroxyvitamin D，1，25-OHD)是維生素D最活躍的代謝產(chǎn)物，被認(rèn)為是成骨細(xì)胞分化的活化劑，因為它協(xié)同肝細(xì)胞生長因子(hepatocyte growth factor，HGF)，誘導(dǎo)h間充質(zhì)干細(xì)胞分化。神經(jīng)類表皮生長因子樣蛋白1(neural epidermal growth factor like protein 1，NELL-1)對軟骨細(xì)胞具有高度特異性，在體外通過調(diào)節(jié)Runt相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子2(runt-related transcription factor 2，Runx2)，誘導(dǎo)間充質(zhì)干細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化。在人體多能干細(xì)胞(Human pluripotent stem cells，hPSCs)中，Nell-1增加軟骨細(xì)胞基因的表達(dá)，并在加快人類多能干細(xì)胞軟骨細(xì)胞分化過程中大大增強(qiáng)TGF-β3和BMP-6的作用[23]。Nell-1已成為治療骨質(zhì)流失的一種可行治療方法[24]。

抑制環(huán)氧化酶-2(cyclooxygenase，COX-2)，會導(dǎo)致前列腺素E2(prostaglandin，PGE2)合成減少，從而抑制小鼠間充質(zhì)干細(xì)胞軟骨細(xì)胞分化。研究猜測改變n-3/n-6多不飽和脂肪酸的比例會減少PGE2的合成，預(yù)防異位骨化或作為異位骨化的替代治療。缺氧誘導(dǎo)因子(hypoxia inducible factor，HIF-1α)是一種對低氧做出反應(yīng)的主要調(diào)節(jié)因子，在小鼠骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨軟骨分化中起關(guān)鍵作用。研究發(fā)現(xiàn)缺氧誘導(dǎo)因子可以抑制外傷造成的(燒傷/割傷)或遺傳性的異位骨化。藥理抑制劑缺氧誘導(dǎo)因子可以在不同的異位骨化模型中有效減少異位骨的形成[25]。Zhou等[26]還發(fā)現(xiàn)，HIF-1α聯(lián)合BMP2可以增加間充質(zhì)干細(xì)胞細(xì)胞系(C3H/10T1/2)的軟骨細(xì)胞分化。這為軟骨組織工程中增強(qiáng)維持軟骨表型提供了一種方法。

2 靶向微環(huán)境對骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞作用

骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞功能增強(qiáng)會導(dǎo)致間充質(zhì)組織異位生長，如異位骨化。臨床上間充質(zhì)干細(xì)胞病理性增殖和成骨分化常見于骨科創(chuàng)傷、燒傷、中樞神經(jīng)系統(tǒng)的創(chuàng)傷、進(jìn)行性骨化纖維發(fā)育不良及進(jìn)行性骨發(fā)育異常。在病理條件下骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞誘導(dǎo)分化為成骨細(xì)胞的過程受到多條信號通路的調(diào)控，包括BMPs/Smad通路、Wnt通路、絲裂原激活蛋白激酶(mitogen-activated protein kinases，MAPK)通路和鈣離子通路等。在BMPs/Smad通路，其中BMP-2具有促進(jìn)間充質(zhì)干細(xì)胞增殖及成骨分化的作用。研究發(fā)現(xiàn)[27]，當(dāng)骨形態(tài)發(fā)生蛋白mRNA表達(dá)量增加時，堿性磷酸酶、骨鈣素、Smad及l(fā)型膠原(collagen I，Col-Ⅰ)等表達(dá)顯著增高，骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞發(fā)生明顯的成骨分化。BMPs有兩種受體，當(dāng)BMPs激活Ⅱ型受體后，I型受體磷酸化，隨后激活下游Smad1/5/8蛋白。Smad1/5/8同受體結(jié)合在配體上，磷酸化后與smad4形成異二聚體，然后轉(zhuǎn)入細(xì)胞核后結(jié)合到目標(biāo)啟動子序列，誘導(dǎo)成骨特異性轉(zhuǎn)錄因子Runx2等[28]。

Wnt通路是調(diào)節(jié)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞自我更新和分化的關(guān)鍵途徑。當(dāng)Wnt通路被激活后，Wnt蛋白首先與細(xì)胞表面低密度脂蛋白相關(guān)受體蛋白(Low density lipoprotein related proteins 5/6，LRP 5/6)和卷曲蛋白復(fù)合物結(jié)合，促進(jìn)β聯(lián)蛋白聚合，激活T細(xì)胞因子、淋巴增強(qiáng)因子介導(dǎo)的基因表達(dá)。

MAPK通路是調(diào)控骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞成骨分化的重要途徑之一。該通路中細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)激酶(extracellular signal regulated kinase，ERK)、c-Jun氨基端激酶(c-Jun amino terminal kinase，JNK)和p38通路參與了骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨分化[29]。MAPK通路激活后，誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄因子Runx2磷酸化及轉(zhuǎn)錄因子Osterix表達(dá)，同時調(diào)控BMPs和纖維生成因子2，促使骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞分化為成骨細(xì)胞[30]。

鈣通路是以鈣離子為信號調(diào)節(jié)骨重建的關(guān)鍵通路。成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞表面有可以感受細(xì)胞內(nèi)外鈣離子濃度的變化的鈣敏感受體。研究發(fā)現(xiàn)細(xì)胞外鈣離子濃度升高時，可以提高成骨分化標(biāo)志物水平，促進(jìn)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化。

BMPs/Smad通路、Wnt通路、MAPK通路和鈣離子通路等多種通路協(xié)同調(diào)節(jié)間充質(zhì)干細(xì)胞的增殖和成骨分化，維持機(jī)體的骨的新陳代謝。有多種因素影響間充質(zhì)干細(xì)胞的增殖和分化，基于目前的數(shù)據(jù)，可以得出這樣的結(jié)論：并不是所有的微環(huán)境因素都是平等的，一些因素可以增加間充質(zhì)干細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化的能力，另一些可以促進(jìn)間充質(zhì)干細(xì)胞的自我更新，還有的可以同時發(fā)揮這兩項作用；許多微環(huán)境因子的生化效應(yīng)是依賴背景條件的。這些因素可能相互交叉，并形成一個最小的結(jié)構(gòu)性的功能單位，從而調(diào)節(jié)間充質(zhì)干細(xì)胞和下游分化的穩(wěn)態(tài)。目前微環(huán)境因素在間充質(zhì)干細(xì)胞分化中的作用大部分仍是未知的，許多備選微環(huán)境因素可能涉及到調(diào)節(jié)生理或病理生理中間充質(zhì)干細(xì)胞功能，所以很難分析其中的相互作用關(guān)系。為了解決這個問題，將微環(huán)境因子作為一種局部功能性調(diào)節(jié)單位進(jìn)行研究是比較有潛力的方法，它與干細(xì)胞最小結(jié)構(gòu)單位的概念相似，可以協(xié)調(diào)間充質(zhì)干細(xì)胞穩(wěn)態(tài)和下游分化。