控制微环境氧含量是研究干细胞的一个重要基础

2017年12月巴黎七大的Adrien Moya 博士在Stem Cell上发表文章研究人源骨髓间充质干细胞的糖代谢研究，来分析在组织工程中应用MSCs从体外移植入人体内的存活率极低的情况。

文章中指出，人骨髓间充质干细胞（MSCs）是组织工程中很理想的选择。然而，因为它的存活率很低，限制了在治疗上的效果。研究者发现，hMSCs在体内真实环境更接近于缺氧（0.1%O₂）而不是体外的低氧环境（1%-5% O₂）。在这种缺氧的环境下，hMSCs无法适应在没有外源葡萄糖存在的情况下，只能控制很有限的内部葡萄糖储备和基本为零的ATP储量。在这种外源葡萄糖水平极低的情况下，因为缺乏下调能量翻转的机制导致hMSCs能量储量的快速耗尽，直接导致其极低的存活率。

低于0.1%的氧气条件呈现了体内移植后的环境

哺乳组织行使功能的氧气浓度是2%-10%左右。比如在骨髓中MSC（间充质干细胞）微环境（niche）中的氧气浓度是2%-8%。氧气含量在提供人骨髓间充质干细胞（hMSCs）稳态的能量需求，存活以及移植之后最终行驶功能的过程中，扮演着极其重要的角色。但是，

hMSCs在组织工程中的应用，特别是移植后早期在体内的氧气浓度需求还不清楚。

本研究中，首次将hMSCs种在组织工程的载体上面，并保持氧气含量在0.13%±0.06% 长达24h。该氧气浓度比小鼠在体的软组织局部缺血的浓度更低，人类肿瘤的微环境的氧气浓度是0.3%至4.2%。对于这种极低浓度的耗氧量的解释，是在移植后早期阶段，hMSCs微环境基本没有血液供给氧气。

想精确地研究细胞在活体内的氧气浓度，是非常具有挑战性的。本文作者尝试通过建立一种缺氧生物标记的表达，研究氧气浓度在21%至0.1%的范围内，hMSCs的生长情况。发现0.1%的氧气含量最能反映hMSCs在活体内的真实状态。在这种条件下，移植之后的细胞，显现出线粒体活性的高度抑制。在体外实验中，0.1%的氧气浓度是唯一可以诱导缺氧标记物表达，并显著下调线粒体活性。研究结果表明，0.1%的氧气含量最好地反应出hMSCs在活体状态下在组织工程构建平台上，相对于氧气含量粗放的状态，增长速度要更快，更大。

缺氧条件控制

缺氧条件模拟是通过pro Ox-C-chamber系统（C-Chamber，C-347，Biospherix，New York，NY）实现的。这个chamber中的氧气含量维持在0.1,1,5,或21%，并混合有5%CO2，用N2平衡。

对于缺氧条件下的细胞培养，hMSCs培养在24孔板中，每平方厘米种12,000细胞。

上图显示，在干细胞移植之后，在皮下以及水凝胶支架中心点的氧气含量测定数据。

数据分别是来自于0天，1天以及3天的数据。

延伸 

除此之外，骨髓中的造血干细胞，其周围环境中的氧含量也在骨髓微环境中发挥重要作用。低氧环境导致HSC处于低活性氧水平，从而具有较好的自我更新能力和重建骨髓的能力。把氧含量看成是干细胞微环境的一个成分虽然是个较新的概念，但是目前越来越多的在各种干细胞中得到进一步研究证实。