引用本文： 邢飞, 刘国明, 段鑫, 项舟. 尿源性干细胞在骨骼肌肉系统再生领域应用的研究进展. 中国修复重建外科杂志, 2018, 32(11): 1477-1482. doi: 10.7507/1002-1892.201804024 复制
对于由创伤、退变、肿瘤、感染等原因导致的骨、神经、皮肤等骨骼肌肉系统组织缺损的治疗，一直是临床医生面临的巨大挑战。随着组织工程技术与再生医学的快速发展，由成体干细胞、细胞因子及支架材料构建的组织工程修复材料，在多种组织缺损的修复再生方面展现了巨大潜力。目前成体干细胞主要来源于骨髓、脂肪、脐带、胎盘等部位，这些成体干细胞的获取均需通过骨髓穿刺、抽脂术等有创操作，为干细胞供体带来一定痛苦[1]。
近年来，许多再生医学研究者发现尿液中同样存在一类具备稳定自我增殖能力及多向分化特性的成体干细胞，并将其命名为尿源性干细胞（urine derived stem cells，USCs）[2]。USCs 因具备多向分化潜能、来源不受限以及安全无创等优点，在组织再生领域具有极大应用潜力。因此，本文就目前 USCs 应用于骨骼肌肉系统修复的研究进展进行综述。
1 USCs 的生物学特性
最早在上世纪 70 年代，Sutherland 等[3]就从新生儿尿液中分离得到了具备一定生存能力的脱落细胞。直到上世纪 90 年代，Racusen 等[4]从肾病型胱氨酸病患者尿液中，成功分离获得了具备稳定增殖活性的肾小管样细胞。2008 年，美国维克森大学再生医学中心 Zhang 等[5]等比例混合无血清角质细胞培养基和胚胎成纤维细胞培养基构建复合培养基，并成功从人尿液中分离获取了一类具备祖细胞特性以及稳定增殖能力的细胞，并将其命名为尿液祖细胞。之后陆续有研究者从尿液中同样分离获得了此类细胞，并证实此类尿液来源的细胞可稳定增殖，表达干细胞表面标记并具备多向分化能力[6]。随后越来越多研究者又将此类尿液来源细胞称为 USCs[2, 7]。
1.1 USCs 的分离培养
研究发现[5]，成人新鲜尿液每 200～300 毫升可分离获得 4～5 个细胞克隆，经过 6 周传代培养，单个细胞克隆可扩增至 1.0×108个细胞用于后续组织修复。此外，研究者还从泌尿系统疾病患者以及大疱表皮松解症患者的尿液中，成功分离培养出 USCs[7-8]。Gao 等[9]通过分离不同年龄段供体（5～14 岁、30～40 岁、65～75 岁）的 USCs 并进行对比发现，5～14 岁组 USCs 相比于 30～40 岁组和 65～75 岁组具备更好的细胞增殖活性以及更低的细胞衰老率；此外，在进行成骨诱导后，5～14 组 USCs 成骨相关基因蛋白［ALP、骨钙素（osteocalcin，OCN）、Runt 相关转录因子 2（Runt-related transcription factor 2，RUNX2）］表达明显高于 30～40 岁组和 65～75 岁组。但该研究仍存在参与人群较少、年龄范围较窄等不足。有关年龄对 USCs 增殖分化的影响有待进一步研究确认。Lang 等[10]从储存了 1 d 的尿液中同样分离出了 USCs，并发现细胞仍具备平滑肌细胞以及尿路上皮细胞的分化能力。
目前对于 USCs 培养所使用的培养基成分尚无统一标准。Zhang 等[5]最早采用等比例混合无血清角质细胞培养基和胚胎成纤维细胞培养基分离培养 USCs 。随后汪泱等[11]和陈春媛等[12]构建了 LMM101 细胞培养基（已申请专利），同样可用于 USCs 的分离培养。但不同成分培养基对 USCs 的增殖分化是否有差异仍需进一步研究确定。
1.2 USCs 的起源和细胞表面标记
目前大多数研究者认为 USCs 来源于泌尿系统的肾脏[13-14]。Bharadwaj 等[6]分离获取上泌尿道来源的尿液并成功分离出了 USCs，证实 USCs 来源于上泌尿道肾脏。此外，USCs 流式细胞学结果提示，USCs 不表达造血干细胞表面标记，这一结果否定了 USCs 起源于血液经过肾小球过滤进入尿液的假说[15]。Bharadwaj 等[2]从 1 例接受男性肾脏移植的女性患者尿液中分离获取 USCs，并行染色体表型鉴定发现了 Y 染色体的存在，这一发现充分证实了 USCs 来源于肾脏。目前有关 USCs 具体起源于肾脏哪个部位的研究仍较少。有研究发现 USCs 表达肾小球壁层上皮细胞特异性免疫表型，并推测 USCs 可能起源于肾脏的肾小球壁层上皮细胞[2]。此外，肾小球壁层上皮细胞可以发生上皮细胞-间充质转化，即上皮细胞通过失去细胞极性以及与基底膜之间的连接，获得迁移、抗凋亡等间质型细胞功能[16-17]。而这种多能分化细胞可以在肾小球中起干细胞的作用，分化为不同表型参与肾脏内部的修复过程[18]。但目前并无研究直接证实 USCs 起源于肾小球壁层上皮细胞，因此仍需进一步研究确定。
流式细胞学结果提示[2]，USCs 阳性表达 MSCs 表面标记 CD29、CD44、CD54、CD73、CD90、CD105、CD166 以及 STRO-1，不表达造血干细胞表面标记 CD11b、CD14、CD19、CD34、CD45，同样不表达上皮细胞表面标记 CD31。此外，研究者们还发现 USCs 表达胚胎干细胞表面标记 TRA1-60、TRA1-81、SSEA4、Sox2、Oct3/4、c-Myc、klf4[2]。
1.3 USCs 的多向分化能力
USCs 作为一类有多向分化能力的成体干细胞，通过不同条件培养基诱导，可以定向分化为成骨细胞、软骨细胞、脂肪细胞、神经细胞、尿路上皮细胞、内皮细胞、心肌细胞以及平滑肌细胞[2, 13, 19-21]。此外，Pei 等[22]发现 USCs 沉积的细胞外基质可以改善并增强因多次传代导致软骨分化能力下降的人 BMSCs 的软骨分化能力，并认为 USCs 分泌的营养因子改善并促进了人 BMSCs 的软骨分化能力。USCs 通过条件培养基进行内皮诱导后，可以在 Matrigel 基质胶上形成管腔状结构，并特异性表达内皮细胞表面标记 CD31、血管性血友病因子、VEGF 受体 2、重组人血管内皮生长因子受体 1 及内皮型一氧化氮合酶[6]。Liu 等[19]通过负载 VEGF 微珠的诱导培养基培养 USCs 一段时间后，发现内皮细胞表面标记基因表达显著提高。此外，USCs 经过神经细胞诱导分化后，约 40% 细胞表达神经细胞特异性基因蛋白[2, 6]。鉴于 USCs 具备的多种分化潜能，其可被应用于多种组织器官修复。
1.4 USCs 与其他来源 MSCs
目前骨骼肌肉系统再生领域应用最为广泛的 MSCs 主要来源于骨髓、脂肪与胎盘等。但这些部位 MSCs 获取需要通过骨髓穿刺、抽脂术等有创操作，而 USCs 分离获取过程是完全无创的方式。此外，与其他来源原代 MSCs 细胞形态呈成纤维细胞样不同，原代 USCs 细胞形态会因供体不同存在差异，细胞形态呈现从内皮细胞样到成纤维细胞样过渡，但通过连续细胞传代，USCs 细胞形态逐渐呈现为均一的成纤维细胞样。研究者认为 USCs 细胞形态的转变是培养基对细胞的选择作用，但其涉及到的生物学机制有待进一步研究[8]。
研究还发现 USCs 细胞增殖曲线与其他来源 MSCs 类似，呈典型的 S 形。USCs 细胞增殖过程大致可分为潜伏期、对数期和平台期 3 个时期[6]。Kang 等[23]通过从同一供体分离获取 USCs 和脂肪来源干细胞（adipose derived stem cells，ADSCs）并进行对比发现，USCs 相比于 ADSCs 具备更高的细胞增殖效率。与 BMSCs 随细胞传代端粒酶长度逐渐缩短不同，研究发现第 2～7 代 USCs 端粒酶长度基本保持不变，表明 USCs 具备更长的端粒酶长度以及更高的端粒酶活性[2]。Shi 等[24]发现端粒酶阳性表达的 USCs 在中年人中最高可达到 75%，在 50 岁以上表达比例仍可达到 50%～60%。单个端粒酶阳性表达的 USCs 可以稳定地经过 20 代增殖传代达到 267个细胞；单个端粒酶阴性表达的 USCs 同样可以稳定地经过 8～10 代增殖传代达到 234个细胞[10, 24]。
USCs 与其他来源 MSCs 相比，同样具备稳定的成骨、成脂以及成软骨分化能力。此外，BMSCs 可以定向分化为平滑肌细胞和内皮细胞，但其转化效率低，经过诱导分化只有 5%～10% 的 BMSCs 可以分化表达尿路上皮细胞特异性基因蛋白，这极大限制了 BMSCs 在尿路上皮修复重建领域的应用[25-26]。研究发现采用与 BMSCs 相同的尿路上皮细胞条件培养，60%～70%USCs 可以特异性表达尿路上皮特异性蛋白与基因（uroplakin-Ⅰa、Ⅲ），远远高于 BMSCs 诱导分化效率，并且 USCs 诱导分化得到的尿路上皮细胞在表达细胞间紧密连接相关基因蛋白（ZO-1、E-cadherin、Cingulin）的同时，具备与膀胱组织细胞相似的屏障功能[2, 13]。
外周血单核细胞与其他来源细胞混合时会增殖启动免疫反应。然而研究发现[13]外周血单核细胞与 USCs 混合时，其增殖效率大大低于与 BMSCs 混合培养。此外炎症抑制因子 IL-6、IL-8 在 USCs 组明显低于 BMSCs 组，表明 USCs 对外周血单核细胞展现出更好的免疫调节作用[13]。
2 USCs 与骨骼肌肉系统修复
因 USCs 具备取材无创、来源广泛以及良好的多向分化能力等优点，许多研究者开始将 USCs 应用于骨、软骨、皮肤等骨骼肌肉系统的修复过程。
2.1 USCs 与骨修复
目前已有许多研究将 USCs 应用于骨修复重建研究中。Guan 等[27]利用硅酸钙（calcium silicate，CS）和聚乳酸-羟基乙酸共聚物［poly（lactic-co-glycolic acid），PLGA］构建 PLGA/CS 混合支架材料，通过刺激 Wnt/β-catenin 信号通路成功促进 USCs 体内成骨能力，并且证实混合支架材料促 USCs 成骨能力可以被 Wnt/β-catenin 信号抑制剂小豆蔻甙抑制。此外，该课题组还利用 BMP-2 慢病毒转染促进 USCs 成骨能力，并将 BMP-2 慢病毒转染的 USCs 搭载 β 磷酸三钙（β-tricalcium phosphate，β-TCP）进行小鼠肌肉包埋 6 周后，组织学观察发现有新骨形成，成骨相关基因蛋白 RUNX-2 和 OCN 表达明显增高[28]。纳米银颗粒作为抗菌剂的一种，广泛应用于涂层抗菌领域[29]。Qin 等[30]研究了纳米银颗粒对 USCs 细胞毒性以及成骨活性的影响，发现 4 μg/mL AgNP 浓度下开始观察到浓度依赖性毒性；此外，还发现纳米银颗粒可以促进 USCs 成骨相关基因蛋白表达。该课题组认为纳米银颗粒可以作为独立银离子加入组织工程支架材料中，促进 USCs 成骨能力表达。还有研究采用 USCs 复合 β-TCP 植入小鼠股骨缺损模型中，一段时间后发现适量新骨形成[31]。目前对于 USCs 的骨组织修复虽然展现了一定修复效果，但其修复机制研究尚且不足，仍需进一步研究确认。
2.2 USCs 与软骨修复
由创伤和骨关节炎引起的软骨缺损一直是治疗难点。目前软骨缺损的治疗主要依靠自体软骨移植、微骨折、软骨成形术等，但这些治疗手段存在创伤大、软骨修复效果不理想等不足[32]。许多研究发现 MSCs 可以定向分化为软骨细胞，并表达相关特异性基因蛋白[33]。本课题组之前利用 USCs 和透明质酸钠溶液构建了干细胞/透明质酸复合体系，并验证了复合体系内 USCs 仍具备较好的生物学特性；体内实验中发现，与单纯应用透明质酸组相比，USCs 联合透明质酸修复组有更多的新生软骨，展现出了更好的软骨缺损修复能力。此研究为细胞治疗关节软骨缺损提供了新的理论依据[34]。但目前有关 USCs 应用于关节软骨缺损治疗的研究仍较少，仍需更多的临床研究证实 USCs 的软骨修复能力。
2.3 USCs 与皮肤修复
许多研究发现 USCs 通过促进血管形成，进而加快皮肤组织的修复。Fu 等[35]利用 USCs 复合聚己内酯/明胶构建新型组织工程生物材料，并观察其对兔全层皮肤缺损修复的疗效发现，与单纯聚己内酯/明胶相比，搭载了 USCs 组的伤口闭合速度更快，有更多血管和胶原生成。此外，该课题组还发现 USCs 可以释放增强内皮细胞迁移、增殖和成血管能力的细胞因子（VEGF 和 TGF-β1）。在细胞治疗过程中，干细胞对组织的修复再生能力主要通过旁分泌效应作用于受体细胞实现。而生物活性玻璃被证实可以增强干细胞的旁分泌作用，进而促进组织修复[36]。Zhang 等[37]研究发现，生物玻璃的离子产物可以促进 USCs 相关生长因子表达。通过生物玻璃粒子产物处理 USCs 获得条件培养基，可以促进内皮细胞和成纤维细胞的增殖。该研究[37]体内实验中发现经生物活性玻璃激活的 USCs，与未经处理过的 USCs 相比，有更多的血管生成以及胶原沉积，展现出更好的伤口修复能力。
外泌体是细胞分泌的的一类包含了 RNA 或细胞因子的小分子物质，被广泛应用于疾病诊断与治疗中[38]。Chen 等[39]成功分离获取了 USCs 来源外泌体并进行相关生物学特性检测。结果显示，USCs 来源外泌体外观呈杯状或球形，直径为（1.57±2.93）nm，阳性表达分子 CD63 和肿瘤易感基因 101 蛋白；USCs 来源外泌体富含伤口愈合相关蛋白，可以增强内皮细胞成血管能力、伤口愈合能力。该研究为 USCs 应用于糖尿病软组织创伤修复提供了理论基础。
2.4 USCs 与骨骼肌修复
许多研究已证实 USCs 经过诱导可以分化为骨骼肌细胞。Chen 等[40]发现 USCs 在进行肌源性诱导分化后，细胞形态由米粒样向纺锤形改变；USCs 经过肌源性诱导分化后，体外稳定表达骨骼肌细胞谱系（skeletal muscle linage cells，Sk-MCs）转录物和蛋白质标记物（myf5、myoD、肌球蛋白和肌间线蛋白）；将标记过的 USCs 植入裸鼠胫骨肌 1 个月后，细胞在体内仍可稳定表达 CD117、CD133、CD146、SSEA-4 和 STRO-1，阴性表达 CD14、CD31、CD34 和 CD45。该研究表明 USCs 体内体外均可诱导分化为 SK-MCs。Kim 等[41]利用转录因子 MyoD 对 USCs 进行基因重编，经过诱导分化成功建立了人类肌源细胞。
2.5 USCs 与神经修复
研究证实 USCs 可以经过诱导分化为神经样细胞，但目前将 USCs 应用于神经修复的研究仍较少。将 USCs 复合水凝胶植入小鼠动物模型中发现 USCs 可以迁移至颅内病灶部位，并表达与神经表型相关蛋白质[21]。Yang 等[42]通过海绵体注射色素上皮衍生因子基因修饰的 USCs 可以有效对海绵体神经进行修复，并且可以阻止海绵体结构的进一步破坏，改善海绵体内内皮细胞功能，增加平滑肌含量，减少细胞凋亡。
3 USCs 与骨骼肌肉系统疾病模型的构建
诱导多能干细胞（induced pluripotent stem cells，iPSs）是指将多能遗传基因导入体细胞，在其他诱导因子的作用下进行基因的重新排列，进而获取得到类似胚胎干细胞的具备多向分化潜能的细胞[43-44]。目前许多研究通过分离不同疾病患者尿液中的 USCs 进行基因重编，构建 iPSs 骨骼肌肉系统疾病的细胞模型，用于骨骼肌肉系统疾病的诊断、筛选有效药物以及机制学研究。无创来源 USCs 构建的多能干细胞与胚胎干细胞高度相似，在罕见疾病细胞模型构建以及药物筛选等方面具备广阔的应用前景。
肌肉疾病涉及到的大量基因突变需要进行个体化的检测与治疗，因此构建肌肉系统疾病的细胞模型十分必要。成纤维细胞是目前广泛应用于多能干细胞构建的一种细胞来源[45]，但成纤维细胞的获取需要通过有创的皮肤活检。Kim 等[41]将 MyoD 基因导入 USCs 并对其进行基因重编，成功构建出人类肌源性细胞疾病模型，并证实此构建过程高效可重复。Zhang 等[46]从患有常染色体显性遗传疾病阵发性运动兴奋性运动障碍的患者尿液中分离获取得到 USCs，构建疾病特异性人 iPSs 细胞模型，用于疾病细胞机制相关研究。Afzal 等[47]成功从肌营养不良患者的尿液中分离获取 USCs，并利用仙台病毒进行病毒转导，成功构建出 iPSs 特异性疾病模型用于后续研究。Wang 等[48]利用 TGF-β 显著提高了 USCs 进行基因重编构建 iPSs 的效率，该方法为 USCs 基因重编提供了一种简化方式。M Lee 等[49]从唐氏综合征患者尿液中分离获取 USCs 并诱导生成 iPSs，弥补了先前产生的 T21-iPSs 的不足，并认为 USCs-iPSs 可以良好地应用于唐氏综合征以及其他神经发育退行性疾病模型的构建。
4 USCs 的临床应用
我们通过广泛查阅临床注册研究信息，发现目前有关 USCs 的国家临床注册研究仍较少。王琛等分离获取 20～79 岁正常糖耐量志愿者以及 2 型糖尿病患者的 USCs 后，用于糖尿病的治疗及相关机制研究（临床注册号：ChiCTR1800016260）。王墨等从正常儿童清洁中段尿中分离获取 USCs，通过体内体外实验探讨 PI3K/Akt/mTORC1 信号通路激活是否参与原发性肾病综合征慢性化进展，以及 USCs 移植是否通过旁分泌、抗炎抗氧化损伤和调节 PI3K/Akt/mTORC1 信号通路活化状态而保护肾脏（临床注册号：ChiCTR-ROC-17013715）。两项研究均处于初级阶段，尚未得出临床随访结果。此外，目前尚无有关 USCs 直接应用于人体骨骼肌肉系统疾病修复的相关临床研究报道。随着研究者们对 USCs 相关生物学特性研究的深入，我们相信未来会有更多的 USCs 临床研究报道出现。
5 小结与展望
许多基础以及临床研究结果表明，MSCs 对骨骼肌肉系统具备一定的再生修复能力，但其细胞类型、细胞剂量、治疗频率以及修复方式存在巨大差异[50-52]。不同组织来源的 MSCs 虽然均具备 MSCs 的特性，但是在细胞生物学特性以及组织修复能力方面仍存在一定差异。因此发现不同来源的 MSCs 为不同组织的修复再生提供了更多可能性。此外，如何提高干细胞体内存活率、丰富干细胞来源以及细胞相关伦理学问题，同样是干细胞研究者亟待解决的问题。
目前组织工程与再生医学的研究者们已经发现了多种不同来源的 MSCs，包括骨髓、脂肪、胎盘、脐带、外周血以及尿液等组织[53-55]。USCs 作为近年来发现的一种无创来源的成体干细胞，表达 MSCs 表面分子标记，具备良好的细胞增殖能力，经过诱导可以分化为成骨细胞、软骨细胞、脂肪细胞、神经细胞、尿路上皮细胞、内皮细胞、心肌细胞以及平滑肌细胞。近年来 USCs 开始被广泛应用于骨骼肌肉系统的修复重建中，并展现了一定的修复效果。但有关 USCs 的生物学特点以及组织修复的分子生物学机制尚需进一步研究确定。此外，许多研究者通过分离获取不同罕见骨骼肌肉疾病患者尿液中的 USCs 进行基因重编构建 iPSs，应用于罕见疾病细胞模型构建以及特异性药物筛选。总之，USCs 作为一种新发现的无创来源的干细胞，在骨骼肌肉系统修复领域有着广阔的应用前景。
对于由创伤、退变、肿瘤、感染等原因导致的骨、神经、皮肤等骨骼肌肉系统组织缺损的治疗，一直是临床医生面临的巨大挑战。随着组织工程技术与再生医学的快速发展，由成体干细胞、细胞因子及支架材料构建的组织工程修复材料，在多种组织缺损的修复再生方面展现了巨大潜力。目前成体干细胞主要来源于骨髓、脂肪、脐带、胎盘等部位，这些成体干细胞的获取均需通过骨髓穿刺、抽脂术等有创操作，为干细胞供体带来一定痛苦[1]。
近年来，许多再生医学研究者发现尿液中同样存在一类具备稳定自我增殖能力及多向分化特性的成体干细胞，并将其命名为尿源性干细胞（urine derived stem cells，USCs）[2]。USCs 因具备多向分化潜能、来源不受限以及安全无创等优点，在组织再生领域具有极大应用潜力。因此，本文就目前 USCs 应用于骨骼肌肉系统修复的研究进展进行综述。
1 USCs 的生物学特性
最早在上世纪 70 年代，Sutherland 等[3]就从新生儿尿液中分离得到了具备一定生存能力的脱落细胞。直到上世纪 90 年代，Racusen 等[4]从肾病型胱氨酸病患者尿液中，成功分离获得了具备稳定增殖活性的肾小管样细胞。2008 年，美国维克森大学再生医学中心 Zhang 等[5]等比例混合无血清角质细胞培养基和胚胎成纤维细胞培养基构建复合培养基，并成功从人尿液中分离获取了一类具备祖细胞特性以及稳定增殖能力的细胞，并将其命名为尿液祖细胞。之后陆续有研究者从尿液中同样分离获得了此类细胞，并证实此类尿液来源的细胞可稳定增殖，表达干细胞表面标记并具备多向分化能力[6]。随后越来越多研究者又将此类尿液来源细胞称为 USCs[2, 7]。
1.1 USCs 的分离培养
研究发现[5]，成人新鲜尿液每 200～300 毫升可分离获得 4～5 个细胞克隆，经过 6 周传代培养，单个细胞克隆可扩增至 1.0×108个细胞用于后续组织修复。此外，研究者还从泌尿系统疾病患者以及大疱表皮松解症患者的尿液中，成功分离培养出 USCs[7-8]。Gao 等[9]通过分离不同年龄段供体（5～14 岁、30～40 岁、65～75 岁）的 USCs 并进行对比发现，5～14 岁组 USCs 相比于 30～40 岁组和 65～75 岁组具备更好的细胞增殖活性以及更低的细胞衰老率；此外，在进行成骨诱导后，5～14 组 USCs 成骨相关基因蛋白［ALP、骨钙素（osteocalcin，OCN）、Runt 相关转录因子 2（Runt-related transcription factor 2，RUNX2）］表达明显高于 30～40 岁组和 65～75 岁组。但该研究仍存在参与人群较少、年龄范围较窄等不足。有关年龄对 USCs 增殖分化的影响有待进一步研究确认。Lang 等[10]从储存了 1 d 的尿液中同样分离出了 USCs，并发现细胞仍具备平滑肌细胞以及尿路上皮细胞的分化能力。
目前对于 USCs 培养所使用的培养基成分尚无统一标准。Zhang 等[5]最早采用等比例混合无血清角质细胞培养基和胚胎成纤维细胞培养基分离培养 USCs 。随后汪泱等[11]和陈春媛等[12]构建了 LMM101 细胞培养基（已申请专利），同样可用于 USCs 的分离培养。但不同成分培养基对 USCs 的增殖分化是否有差异仍需进一步研究确定。
1.2 USCs 的起源和细胞表面标记
目前大多数研究者认为 USCs 来源于泌尿系统的肾脏[13-14]。Bharadwaj 等[6]分离获取上泌尿道来源的尿液并成功分离出了 USCs，证实 USCs 来源于上泌尿道肾脏。此外，USCs 流式细胞学结果提示，USCs 不表达造血干细胞表面标记，这一结果否定了 USCs 起源于血液经过肾小球过滤进入尿液的假说[15]。Bharadwaj 等[2]从 1 例接受男性肾脏移植的女性患者尿液中分离获取 USCs，并行染色体表型鉴定发现了 Y 染色体的存在，这一发现充分证实了 USCs 来源于肾脏。目前有关 USCs 具体起源于肾脏哪个部位的研究仍较少。有研究发现 USCs 表达肾小球壁层上皮细胞特异性免疫表型，并推测 USCs 可能起源于肾脏的肾小球壁层上皮细胞[2]。此外，肾小球壁层上皮细胞可以发生上皮细胞-间充质转化，即上皮细胞通过失去细胞极性以及与基底膜之间的连接，获得迁移、抗凋亡等间质型细胞功能[16-17]。而这种多能分化细胞可以在肾小球中起干细胞的作用，分化为不同表型参与肾脏内部的修复过程[18]。但目前并无研究直接证实 USCs 起源于肾小球壁层上皮细胞，因此仍需进一步研究确定。
流式细胞学结果提示[2]，USCs 阳性表达 MSCs 表面标记 CD29、CD44、CD54、CD73、CD90、CD105、CD166 以及 STRO-1，不表达造血干细胞表面标记 CD11b、CD14、CD19、CD34、CD45，同样不表达上皮细胞表面标记 CD31。此外，研究者们还发现 USCs 表达胚胎干细胞表面标记 TRA1-60、TRA1-81、SSEA4、Sox2、Oct3/4、c-Myc、klf4[2]。
1.3 USCs 的多向分化能力
USCs 作为一类有多向分化能力的成体干细胞，通过不同条件培养基诱导，可以定向分化为成骨细胞、软骨细胞、脂肪细胞、神经细胞、尿路上皮细胞、内皮细胞、心肌细胞以及平滑肌细胞[2, 13, 19-21]。此外，Pei 等[22]发现 USCs 沉积的细胞外基质可以改善并增强因多次传代导致软骨分化能力下降的人 BMSCs 的软骨分化能力，并认为 USCs 分泌的营养因子改善并促进了人 BMSCs 的软骨分化能力。USCs 通过条件培养基进行内皮诱导后，可以在 Matrigel 基质胶上形成管腔状结构，并特异性表达内皮细胞表面标记 CD31、血管性血友病因子、VEGF 受体 2、重组人血管内皮生长因子受体 1 及内皮型一氧化氮合酶[6]。Liu 等[19]通过负载 VEGF 微珠的诱导培养基培养 USCs 一段时间后，发现内皮细胞表面标记基因表达显著提高。此外，USCs 经过神经细胞诱导分化后，约 40% 细胞表达神经细胞特异性基因蛋白[2, 6]。鉴于 USCs 具备的多种分化潜能，其可被应用于多种组织器官修复。
1.4 USCs 与其他来源 MSCs
目前骨骼肌肉系统再生领域应用最为广泛的 MSCs 主要来源于骨髓、脂肪与胎盘等。但这些部位 MSCs 获取需要通过骨髓穿刺、抽脂术等有创操作，而 USCs 分离获取过程是完全无创的方式。此外，与其他来源原代 MSCs 细胞形态呈成纤维细胞样不同，原代 USCs 细胞形态会因供体不同存在差异，细胞形态呈现从内皮细胞样到成纤维细胞样过渡，但通过连续细胞传代，USCs 细胞形态逐渐呈现为均一的成纤维细胞样。研究者认为 USCs 细胞形态的转变是培养基对细胞的选择作用，但其涉及到的生物学机制有待进一步研究[8]。
研究还发现 USCs 细胞增殖曲线与其他来源 MSCs 类似，呈典型的 S 形。USCs 细胞增殖过程大致可分为潜伏期、对数期和平台期 3 个时期[6]。Kang 等[23]通过从同一供体分离获取 USCs 和脂肪来源干细胞（adipose derived stem cells，ADSCs）并进行对比发现，USCs 相比于 ADSCs 具备更高的细胞增殖效率。与 BMSCs 随细胞传代端粒酶长度逐渐缩短不同，研究发现第 2～7 代 USCs 端粒酶长度基本保持不变，表明 USCs 具备更长的端粒酶长度以及更高的端粒酶活性[2]。Shi 等[24]发现端粒酶阳性表达的 USCs 在中年人中最高可达到 75%，在 50 岁以上表达比例仍可达到 50%～60%。单个端粒酶阳性表达的 USCs 可以稳定地经过 20 代增殖传代达到 267个细胞；单个端粒酶阴性表达的 USCs 同样可以稳定地经过 8～10 代增殖传代达到 234个细胞[10, 24]。
USCs 与其他来源 MSCs 相比，同样具备稳定的成骨、成脂以及成软骨分化能力。此外，BMSCs 可以定向分化为平滑肌细胞和内皮细胞，但其转化效率低，经过诱导分化只有 5%～10% 的 BMSCs 可以分化表达尿路上皮细胞特异性基因蛋白，这极大限制了 BMSCs 在尿路上皮修复重建领域的应用[25-26]。研究发现采用与 BMSCs 相同的尿路上皮细胞条件培养，60%～70%USCs 可以特异性表达尿路上皮特异性蛋白与基因（uroplakin-Ⅰa、Ⅲ），远远高于 BMSCs 诱导分化效率，并且 USCs 诱导分化得到的尿路上皮细胞在表达细胞间紧密连接相关基因蛋白（ZO-1、E-cadherin、Cingulin）的同时，具备与膀胱组织细胞相似的屏障功能[2, 13]。
外周血单核细胞与其他来源细胞混合时会增殖启动免疫反应。然而研究发现[13]外周血单核细胞与 USCs 混合时，其增殖效率大大低于与 BMSCs 混合培养。此外炎症抑制因子 IL-6、IL-8 在 USCs 组明显低于 BMSCs 组，表明 USCs 对外周血单核细胞展现出更好的免疫调节作用[13]。
2 USCs 与骨骼肌肉系统修复
因 USCs 具备取材无创、来源广泛以及良好的多向分化能力等优点，许多研究者开始将 USCs 应用于骨、软骨、皮肤等骨骼肌肉系统的修复过程。
2.1 USCs 与骨修复
目前已有许多研究将 USCs 应用于骨修复重建研究中。Guan 等[27]利用硅酸钙（calcium silicate，CS）和聚乳酸-羟基乙酸共聚物［poly（lactic-co-glycolic acid），PLGA］构建 PLGA/CS 混合支架材料，通过刺激 Wnt/β-catenin 信号通路成功促进 USCs 体内成骨能力，并且证实混合支架材料促 USCs 成骨能力可以被 Wnt/β-catenin 信号抑制剂小豆蔻甙抑制。此外，该课题组还利用 BMP-2 慢病毒转染促进 USCs 成骨能力，并将 BMP-2 慢病毒转染的 USCs 搭载 β 磷酸三钙（β-tricalcium phosphate，β-TCP）进行小鼠肌肉包埋 6 周后，组织学观察发现有新骨形成，成骨相关基因蛋白 RUNX-2 和 OCN 表达明显增高[28]。纳米银颗粒作为抗菌剂的一种，广泛应用于涂层抗菌领域[29]。Qin 等[30]研究了纳米银颗粒对 USCs 细胞毒性以及成骨活性的影响，发现 4 μg/mL AgNP 浓度下开始观察到浓度依赖性毒性；此外，还发现纳米银颗粒可以促进 USCs 成骨相关基因蛋白表达。该课题组认为纳米银颗粒可以作为独立银离子加入组织工程支架材料中，促进 USCs 成骨能力表达。还有研究采用 USCs 复合 β-TCP 植入小鼠股骨缺损模型中，一段时间后发现适量新骨形成[31]。目前对于 USCs 的骨组织修复虽然展现了一定修复效果，但其修复机制研究尚且不足，仍需进一步研究确认。
2.2 USCs 与软骨修复
由创伤和骨关节炎引起的软骨缺损一直是治疗难点。目前软骨缺损的治疗主要依靠自体软骨移植、微骨折、软骨成形术等，但这些治疗手段存在创伤大、软骨修复效果不理想等不足[32]。许多研究发现 MSCs 可以定向分化为软骨细胞，并表达相关特异性基因蛋白[33]。本课题组之前利用 USCs 和透明质酸钠溶液构建了干细胞/透明质酸复合体系，并验证了复合体系内 USCs 仍具备较好的生物学特性；体内实验中发现，与单纯应用透明质酸组相比，USCs 联合透明质酸修复组有更多的新生软骨，展现出了更好的软骨缺损修复能力。此研究为细胞治疗关节软骨缺损提供了新的理论依据[34]。但目前有关 USCs 应用于关节软骨缺损治疗的研究仍较少，仍需更多的临床研究证实 USCs 的软骨修复能力。
2.3 USCs 与皮肤修复
许多研究发现 USCs 通过促进血管形成，进而加快皮肤组织的修复。Fu 等[35]利用 USCs 复合聚己内酯/明胶构建新型组织工程生物材料，并观察其对兔全层皮肤缺损修复的疗效发现，与单纯聚己内酯/明胶相比，搭载了 USCs 组的伤口闭合速度更快，有更多血管和胶原生成。此外，该课题组还发现 USCs 可以释放增强内皮细胞迁移、增殖和成血管能力的细胞因子（VEGF 和 TGF-β1）。在细胞治疗过程中，干细胞对组织的修复再生能力主要通过旁分泌效应作用于受体细胞实现。而生物活性玻璃被证实可以增强干细胞的旁分泌作用，进而促进组织修复[36]。Zhang 等[37]研究发现，生物玻璃的离子产物可以促进 USCs 相关生长因子表达。通过生物玻璃粒子产物处理 USCs 获得条件培养基，可以促进内皮细胞和成纤维细胞的增殖。该研究[37]体内实验中发现经生物活性玻璃激活的 USCs，与未经处理过的 USCs 相比，有更多的血管生成以及胶原沉积，展现出更好的伤口修复能力。
外泌体是细胞分泌的的一类包含了 RNA 或细胞因子的小分子物质，被广泛应用于疾病诊断与治疗中[38]。Chen 等[39]成功分离获取了 USCs 来源外泌体并进行相关生物学特性检测。结果显示，USCs 来源外泌体外观呈杯状或球形，直径为（1.57±2.93）nm，阳性表达分子 CD63 和肿瘤易感基因 101 蛋白；USCs 来源外泌体富含伤口愈合相关蛋白，可以增强内皮细胞成血管能力、伤口愈合能力。该研究为 USCs 应用于糖尿病软组织创伤修复提供了理论基础。
2.4 USCs 与骨骼肌修复
许多研究已证实 USCs 经过诱导可以分化为骨骼肌细胞。Chen 等[40]发现 USCs 在进行肌源性诱导分化后，细胞形态由米粒样向纺锤形改变；USCs 经过肌源性诱导分化后，体外稳定表达骨骼肌细胞谱系（skeletal muscle linage cells，Sk-MCs）转录物和蛋白质标记物（myf5、myoD、肌球蛋白和肌间线蛋白）；将标记过的 USCs 植入裸鼠胫骨肌 1 个月后，细胞在体内仍可稳定表达 CD117、CD133、CD146、SSEA-4 和 STRO-1，阴性表达 CD14、CD31、CD34 和 CD45。该研究表明 USCs 体内体外均可诱导分化为 SK-MCs。Kim 等[41]利用转录因子 MyoD 对 USCs 进行基因重编，经过诱导分化成功建立了人类肌源细胞。
2.5 USCs 与神经修复
研究证实 USCs 可以经过诱导分化为神经样细胞，但目前将 USCs 应用于神经修复的研究仍较少。将 USCs 复合水凝胶植入小鼠动物模型中发现 USCs 可以迁移至颅内病灶部位，并表达与神经表型相关蛋白质[21]。Yang 等[42]通过海绵体注射色素上皮衍生因子基因修饰的 USCs 可以有效对海绵体神经进行修复，并且可以阻止海绵体结构的进一步破坏，改善海绵体内内皮细胞功能，增加平滑肌含量，减少细胞凋亡。
3 USCs 与骨骼肌肉系统疾病模型的构建
诱导多能干细胞（induced pluripotent stem cells，iPSs）是指将多能遗传基因导入体细胞，在其他诱导因子的作用下进行基因的重新排列，进而获取得到类似胚胎干细胞的具备多向分化潜能的细胞[43-44]。目前许多研究通过分离不同疾病患者尿液中的 USCs 进行基因重编，构建 iPSs 骨骼肌肉系统疾病的细胞模型，用于骨骼肌肉系统疾病的诊断、筛选有效药物以及机制学研究。无创来源 USCs 构建的多能干细胞与胚胎干细胞高度相似，在罕见疾病细胞模型构建以及药物筛选等方面具备广阔的应用前景。
肌肉疾病涉及到的大量基因突变需要进行个体化的检测与治疗，因此构建肌肉系统疾病的细胞模型十分必要。成纤维细胞是目前广泛应用于多能干细胞构建的一种细胞来源[45]，但成纤维细胞的获取需要通过有创的皮肤活检。Kim 等[41]将 MyoD 基因导入 USCs 并对其进行基因重编，成功构建出人类肌源性细胞疾病模型，并证实此构建过程高效可重复。Zhang 等[46]从患有常染色体显性遗传疾病阵发性运动兴奋性运动障碍的患者尿液中分离获取得到 USCs，构建疾病特异性人 iPSs 细胞模型，用于疾病细胞机制相关研究。Afzal 等[47]成功从肌营养不良患者的尿液中分离获取 USCs，并利用仙台病毒进行病毒转导，成功构建出 iPSs 特异性疾病模型用于后续研究。Wang 等[48]利用 TGF-β 显著提高了 USCs 进行基因重编构建 iPSs 的效率，该方法为 USCs 基因重编提供了一种简化方式。M Lee 等[49]从唐氏综合征患者尿液中分离获取 USCs 并诱导生成 iPSs，弥补了先前产生的 T21-iPSs 的不足，并认为 USCs-iPSs 可以良好地应用于唐氏综合征以及其他神经发育退行性疾病模型的构建。
4 USCs 的临床应用
我们通过广泛查阅临床注册研究信息，发现目前有关 USCs 的国家临床注册研究仍较少。王琛等分离获取 20～79 岁正常糖耐量志愿者以及 2 型糖尿病患者的 USCs 后，用于糖尿病的治疗及相关机制研究（临床注册号：ChiCTR1800016260）。王墨等从正常儿童清洁中段尿中分离获取 USCs，通过体内体外实验探讨 PI3K/Akt/mTORC1 信号通路激活是否参与原发性肾病综合征慢性化进展，以及 USCs 移植是否通过旁分泌、抗炎抗氧化损伤和调节 PI3K/Akt/mTORC1 信号通路活化状态而保护肾脏（临床注册号：ChiCTR-ROC-17013715）。两项研究均处于初级阶段，尚未得出临床随访结果。此外，目前尚无有关 USCs 直接应用于人体骨骼肌肉系统疾病修复的相关临床研究报道。随着研究者们对 USCs 相关生物学特性研究的深入，我们相信未来会有更多的 USCs 临床研究报道出现。
5 小结与展望
许多基础以及临床研究结果表明，MSCs 对骨骼肌肉系统具备一定的再生修复能力，但其细胞类型、细胞剂量、治疗频率以及修复方式存在巨大差异[50-52]。不同组织来源的 MSCs 虽然均具备 MSCs 的特性，但是在细胞生物学特性以及组织修复能力方面仍存在一定差异。因此发现不同来源的 MSCs 为不同组织的修复再生提供了更多可能性。此外，如何提高干细胞体内存活率、丰富干细胞来源以及细胞相关伦理学问题，同样是干细胞研究者亟待解决的问题。
目前组织工程与再生医学的研究者们已经发现了多种不同来源的 MSCs，包括骨髓、脂肪、胎盘、脐带、外周血以及尿液等组织[53-55]。USCs 作为近年来发现的一种无创来源的成体干细胞，表达 MSCs 表面分子标记，具备良好的细胞增殖能力，经过诱导可以分化为成骨细胞、软骨细胞、脂肪细胞、神经细胞、尿路上皮细胞、内皮细胞、心肌细胞以及平滑肌细胞。近年来 USCs 开始被广泛应用于骨骼肌肉系统的修复重建中，并展现了一定的修复效果。但有关 USCs 的生物学特点以及组织修复的分子生物学机制尚需进一步研究确定。此外，许多研究者通过分离获取不同罕见骨骼肌肉疾病患者尿液中的 USCs 进行基因重编构建 iPSs，应用于罕见疾病细胞模型构建以及特异性药物筛选。总之，USCs 作为一种新发现的无创来源的干细胞，在骨骼肌肉系统修复领域有着广阔的应用前景。