BMPs（骨形成タンパク質）は、骨髄由来幹細胞培養液中において、間葉系幹細胞の骨芽細胞および軟骨細胞への分化を誘導する最も強力なシグナル分子である。SMAD1/5/8シグナル伝達経路を活性化することにより、骨芽細胞特異的転写因子であるRunx2およびOsterixの発現を直接的に上方制御し、間葉系幹細胞の骨芽細胞・軟骨細胞への定向分化を促進する。同時に、TGF-βスーパーファミリーに属する分子群が協調的に細胞外マトリックスの石灰化沈着を調節し、骨および軟骨の実質的な再生を駆動する。

分泌されるBDNF（脳由来神経栄養因子）およびIGF-1（インスリン様成長因子-1）は、神経筋接合部の機能維持に不可欠な分子である。BDNFはTrkB受容体シグナル伝達経路を介して運動ニューロンをアポトーシスから保護し、軸索再生を促進する。IGF-1はPI3K/AKT経路を活性化し、筋衛星細胞の活性化と増殖を支持するとともに、タンパク質合成を促進することで、脱神経後の筋萎縮に対抗する。両因子が協働して、神経-筋ユニットの完全性と機能的恒常性を維持する。

造血幹細胞ニッチ（HSCニッチ）を構成する主要な構成要素として、骨髄由来幹細胞培養液中には造血を支持する独自のシグナル分子が豊富に含まれている。ANGPT1（アンジオポエチン-1）はTie2受容体に結合することにより造血幹細胞の静止期維持と幹細胞性の保持に寄与し、CXCL12（ケモカイン間質細胞由来因子-1）は造血幹細胞の骨髄内へのホーミングと滞留を媒介する。SCF（幹細胞因子）はこれらと協調して造血前駆細胞の増殖と分化を促進する。以上の因子群が共同して、造血機能を維持する「ニッチ」微小環境を構築する。

骨髄由来幹細胞培養液中のVEGF（血管内皮増殖因子）とBMPsは、骨形成-血管新生連関機構を形成する。VEGFは血管内皮細胞の増殖と管腔形成を直接促進するのみならず、骨芽細胞分化過程における血管侵入を増強し、新生骨組織への十分な酸素と栄養供給を提供する。本連関機構は、骨髄微小環境が骨再構築と修復を実現する上での独自の優位性を示すものである。

組織損傷または虚血ストレス下において、骨髄由来幹細胞培養液中のHGF（肝細胞増殖因子）およびFGF-2（線維芽細胞増殖因子-2）は多標的な保護作用を発揮する。HGFはc-Met受容体を介して抗アポトーシスシグナル伝達経路を活性化し、虚血領域における細胞死を抑制する。FGF-2は局所的な微小血管網の修復と再構築を促進する。脊髄損傷モデルにおいて、本培養液は運動機能回復を有意に改善し、損傷部位を越えた軸索再生を促進することが示されている。

骨髄由来幹細胞培養液は、BDNF、NGFをはじめとする多様な神経栄養因子の分泌を介して、神経系に対して多標的な保護作用を発揮する。研究により、BMSC（骨髄由来間葉系幹細胞）の馴化培養液はニューロンをアポトーシスから保護し、脊髄損傷モデルにおいて運動機能回復を有意に改善することが実証されている。in vitro実験では、BMSC馴化培養液が損傷を受けた神経芽細胞腫細胞に対して神経保護効果を示すことが確認されている。さらに、BMSC由来エクソソームは神経軸索再生を促進し、ニューロフィラメント蛋白（NF-200）および成長関連蛋白（GAP-43）の発現を上方制御することにより、坐骨神経損傷の修復に寄与することが示されている。網膜虚血モデルにおいては、BMSC馴化培養液の硝子体内注入が網膜機能を有意に改善し、神経節細胞層の細胞減少を抑制するとともに、虚血後のニューロンアポトーシスを阻害することが報告されている。以上の知見は、BMSC上清液が栄養支持、抗アポトーシス、軸索再生促進の各機序を介して、中枢および末梢神経系の損傷に対して修復微小環境を提供することを示している。