研究背景近年来,干细胞作为组织工程学原材料已在许多领域均获得了深入的研究,干细胞移植疗法已成为各种终末期致死性疾病的有效治疗方法之一。干细胞研究包括胚胎干细胞(embryonic stem cells, ESCs),诱导多能干细胞(induced pluripotent stem cells, iPSCs)以及间充质干细胞(mesenchymal stem cells, MSCs).其中胚胎干细胞来源于胚胎组织,有极强的体内体外分化能力,但由于存在伦理学问题,其临床应用受到限制；诱导多能干细胞为将转录因子结合至终末体细胞内,使其发生重编程恢复干细胞的特性并获得多向分化潜能,但由于存在致瘤性的问题,其临床应用受到限制；间充质干细胞是一种具有成纤维样形态,能够不断自我更新,并能向多种具有功能的终末体细胞发生分化的多能干细胞。目前间充质干细胞已获得一定范围的临床应用,可作为细胞移植的细胞来源以修复受损的组织或器官,还可作为生物人工肝的非实质性支持细胞等,但无论将其应用于何种研究或者治疗方案,均需要增加间充质干细胞的增殖能力和细胞活力,使得短期内可以获得足够数量的间充质干细胞,以满足不同的应用需求。间充质干细胞的细胞来源主要有骨髓,脂肪,胎盘,脐血,脐带等。其中胎盘间充质干细胞(placenta derived mesenchymal stem cells; PDMSCs)是一种从胎膜中分离的干细胞,具有来源丰富,扩增能力强,倍增时间短,免疫抑制强,无伦理问题等优点,这些优点使得它们成为干细胞研究和治疗中不可或缺的细胞来源。生长因子和细胞外基质可以促使干细胞转化为分化的终末体细胞,在这个过程中干细胞会逐步失去多向分化的能力。然而,有研究表明在一些特殊的培养条件下,分化的终末体细胞可以转化为较为原始的细胞表型,并获得多向分化潜能,这个恢复干细胞特性的过程被称为去分化。另有研究表明体外定向诱导分化为神经细胞和骨细胞的骨髓间充质干细胞(bone marrow mesenchymal stem cells; BMMSCs)可以在撤除诱导分化培养基后恢复干细胞的特性。然而,这种特性是否存在干细胞种类的特异性以及诱导分化方向的特异性需要进一步的探索；同时,体外不同方向的诱导分化与去分化过程中潜在的调控机制仍需要得到进一步的阐明。方法本实验的目的是将胎盘间充质干细胞在体外定向诱导分化为终末体细胞,并观察撤除诱导分化培养基后胎盘间充质干细胞特性的改变。本实验步骤为将胎盘间充质干细胞在体外诱导分化为脂肪细胞或肝细胞,撤去诱导分化培养基之后,比较定向诱导分化和去分化过程中干细胞特异性标记物的表达,线粒体形态和代谢功能的改变,并比较未诱导的胎盘间充质干细胞和诱导分化后去分化的胎盘间充质干细胞的增殖能力,最后将诱导分化后去分化的胎盘间充质干细胞再次定向诱导分化为脂肪细胞、骨细胞、肝细胞。为充分阐明定向诱导分化和去分化过程的发生机制,我们通过人类全基因表达谱芯片检测定向诱导分化和去分化过程中人胎盘间充质干细胞基因表达的改变,并利用DAVID 6.7数据库对差异基因进行分析,采用KEGG信号通路深入探索胎盘间充质干细胞定向诱导分化和去分化过程的潜在调控机制。结果在定向诱导分化过程中,胎盘间充质干细胞的形态和特点均会发生显著的改变,与此同时,线粒体形态也随分化状态发生特异性改变,线粒体氧化磷酸化相关的代谢发生上调。撤去诱导分化培养基后,诱导分化的胎盘间充质干细胞迅即发生去分化,胎盘间充质干细胞的形态和特点均恢复到原始状态,线粒体形态以及线粒体氧化磷酸化相关的代谢也随之恢复到原始水平。但去分化后的胎盘间充质干细胞与未诱导的胎盘间充质细胞相比具有更强的细胞增殖能力,而且能够再次定向诱导分化为不同类型的终末体细胞。最后我们对未诱导的胎盘间充质干细胞,诱导分化的胎盘间充质干细胞以及去分化的胎盘间充质干细胞进行了人类全基因组表达谱芯片检测,发现在定向诱导分化和去分化过程中,大量基因的表达发生显著性改变。KEGG信号通路分析表明,癌症信号通路,细胞粘附分子信号通路以及细胞周期信号通路等在定向诱导分化和去分化过程中起到关键作用。结论本研究所采用的定向诱导分化与去分化的方式,可以提高胎盘间充质干细胞的增殖能力与生长速度,并保留胎盘间充质干细胞的多向分化潜能。揭示了在定向诱导分化和去分化过程中的关键调控信号通路,为间充质干细胞在细胞与组织工程学的应用开创了新的途径。