综述：振动显微光谱技术研究体外间充质干细胞成骨分化的综述

这篇综述系统总结了振动显微光谱（包括FTIR和Raman）在间充质干细胞（MSC）成骨分化研究中的应用进展，重点探讨了骨髓（BMSC）、牙源（DPMSC/PDLMSC）和脂肪（AMSC）来源MSC的矿化动态、细胞外基质（ECM）特征及生物标志物识别，为骨组织工程（BTE）提供了非侵入性监测新策略。

　　

引言：MSC成骨分化与骨再生的挑战

骨缺损修复面临自体移植物来源有限、异体移植物疾病传播风险等难题。间充质干细胞（MSC）因其多向分化潜能成为骨组织工程（BTE）的核心要素，但其异质性（如供体差异、组织来源差异）严重影响成骨效果标准化。振动显微光谱技术通过捕捉分子振动指纹，为无标记监测MSC命运提供了新视角。

振动显微光谱技术原理

红外（FTIR）和拉曼（Raman）光谱分别通过偶极矩变化和极化率改变探测分子振动。FTIR对极性基团（如-OH、C=O）敏感，而Raman擅长解析非极性骨架振动（如磷酸盐v_s(PO₄^3-)）。Raman凭借更高空间分辨率（~1μm）、弱水干扰和三维成像优势，在活细胞研究中占据主导。同步辐射FTIR（SR-FTIR）和焦平面阵列检测（FPA）等新技术正突破传统分辨率限制。

骨髓MSC的成骨分化特征

二维培养中，hBMSC的Amide I肩峰（1631 cm^-1）降低提示β-片层结构减少，而磷酸钙化合物（1086-1112 cm^-1）出现标志矿化启动。小鼠BMSC通过958 cm^-1羟基磷灰石（HA）峰动态反映矿化进程，β-胡萝卜素（1526 cm^-1）被提议为矿化起始标志。三维培养显示矿化延迟现象：PCL支架中HA沉积在21天才显现，而旋转生物反应器通过增强骨桥蛋白（OPN）表达优化矿化质量。

牙源MSC的独特表现

牙髓干细胞（DPMSC）的FTIR谱显示Amide I（1653 cm^-1）向α-螺旋转变，与I型胶原沉积吻合。拉曼成像揭示矿化与胶原交联（1660/1690 cm^-1比值）的时空关联——磷酸盐（960 cm^-1）在细胞外围沉积，而交联在成骨诱导14天后才显著。值得注意的是，3D细胞团对脂多糖（LPS）的抵抗性暗示其临床应用潜力。

脂肪MSC的应用突破

hAMSC的拉曼成像以2935 cm^-1（CH₃）为基准，2900 cm^-1（脂滴）和960 cm^-1（HA）比值实现双谱系同步监测。在β-葡聚糖/HA复合支架中，hAMSC产生更高β-转角胶原，而hBMSC形成更多三股螺旋结构。天然诱导剂（如Shilajit）可替代地塞米松，通过增强966 cm^-1（HA）和1073 cm^-1（碳酸盐）信号加速矿化。

新兴技术与未来方向

相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）三维成像清晰展示HA沉积（959 cm^-1）与I型胶原的共定位。机器学习结合多组学数据将推动光谱标志物向临床转化，但需解决供体异质性、数据预处理标准化等挑战。同步辐射FTIR揭示Yes相关蛋白（YAP）过表达增强977 cm^-1（PO₄）信号，为力学刺激调控提供分子证据。

结论与展望

振动光谱已从单纯矿化监测扩展到ECM组分（蛋白聚糖、糖胺聚糖）和代谢调控研究。脂肪微环境对矿化的抑制效应（通过降低1070/960 cm^-1碳酸盐取代比）等发现，凸显该技术在骨代谢疾病机制研究的价值。未来需建立跨实验室标准操作程序（SOP），并开发CARS-SRS联用系统实现亚细胞级动态追踪。