骨髓間充質干細胞在治療股骨頭壞死中的應用

王湛，王天勝

(1.中國醫科大學94 期七年制，遼寧 沈陽 110001;2.解放軍第463 醫院骨科，遼寧 沈陽 110042)

股骨頭壞死是由于破壞了股骨頭的血液供應所造成的最終結果，是臨床常見的疾病之一，其確切病因尚不清楚，有多種學說，目前認為可能與下列因素有關，包括患者有長期服用糖皮質激素的病史，長期過量飲酒致酒精中毒，有創傷病史，患有血液系統疾病等。其主要的病理學改變是股骨頭局部的滋養血管受到破壞，導致骨缺血，誘發骨質變性，最終出現骨小梁的斷裂，股骨頭塌陷，骨壞死，進而逐漸喪失髖關節功能［1，2］。股骨頭壞死患者多為青壯年，其主要癥狀最初為間歇性疼痛，隨著病情的發展，疼痛時間延長，以至于出現持續性疼痛。由于疼痛導致反射性肌肉痙攣，使關節活動受到限制，這樣最終會影響到患者的正常生活。因此早期診斷和治療對改善預后十分重要［3］。目前臨床上對股骨頭壞死多采取手術治療，常用的術式有骨膜移植術、單純的骨移植術或髓芯減壓術等。這些治療方法雖有一定療效，但還存在很多問題，治療效果不能令人滿意。

研究表明，股骨頭壞死的發病除與各種原因引起的局部組織缺血有關以外，還與成骨細胞及骨髓內間充質干細胞的活性降低及總體數量減少相關聯，因此，實際上股骨頭壞死也可以認為就是一種骨細胞和/或間充質干細胞疾病［4］。近年來臨床上開始將骨髓間充質干細胞(bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs)應用于治療股骨頭壞死，結果呈現出良好的治療效果，因此已逐漸被推廣，現已成為治療股骨頭壞死的熱點技術之一。本文就骨髓間充質干細胞移植在治療股骨頭壞死中的應用及臨床相關研究現狀做一綜述。

1 BMSCs 生物學性質

BMSCs 又稱骨髓干細胞、骨髓多能干細胞，是20世紀70年代才開始受到重視的一類纖維集落生成細胞［5］。在胚胎發育過程中BMSCs 來源于中胚層，存在于成人的骨髓組織中，在光學顯微鏡下其形態特征為為長梭形，類似成纖維細胞，與成纖維細胞有一定的同源性特征。

BMSCs 屬于干細胞，表現出干細胞的共同特性，即能夠自我復制，具有多向分化潛能。在特定的誘導微環境下，BMSCs 能夠分化為同為中胚層的成骨細胞、軟骨細胞、肌細胞及脂肪細胞等。此外，BMSCs 還可以向其他胚層來源的細胞分化，例如，可分化為來源于外胚層的神經元樣細胞、神經膠質細胞，來源于內胚層的肝細胞等［6］。BMSCs 除具有上述干細胞的一般特點，還能分泌多種成骨活性因子，有利于骨折愈合時細胞爬行，提示在骨與軟組織損傷修復中可能具有良好的治療作用，這無疑為BMSCs 在股骨頭壞死治療中的應用提供了重要的理論基礎，而目前已取得的研究成果預示BMSCs 的應用有可能成為一種新的治療股骨頭壞死的有效方法［7］。

2 應用BMSCs 治療股骨頭壞死的適應證

應用BMSCs 治療股骨頭壞死時一般應選擇病變早期患者，即根據ARCO 分期，應為Ⅰ期、Ⅱ期的患者。此時患者的股骨頭仍具有完好的外形。而Ⅲ期患者主要行股骨近端截骨術和(非)血管化骨移植。Ⅳ期患者則根據壞死區的大小和病理改變，可選擇關節面重建術或髖關節置換［8］。

3 BMSCs 治療股骨頭壞死的臨床應用

3.1 通過髓芯鉆孔減壓結合BMSCs 移植治療股骨頭壞死有研究顯示，股骨頭內高壓是導致股骨頭壞死的重要因素，由于某種原因使骨髓腔內正常的造血組織及骨髓內的脂肪細胞增大，組織液增多，致使髓腔內壓力增高，進而導致靜脈血回流阻滯，出現微循環障礙，造成骨組織缺氧，使成骨細胞及骨髓細胞死亡［9］。基于上述的病理性改變，Ficat 等設計了開放封閉的骨髓腔的髓芯減壓術，這樣不但可以減低骨內壓，而且還可以提供從周圍正常骨組織新生的毛細血管向股骨頭缺血壞死區爬行修復的通道。然而此種辦法并沒有徹底解決股骨頭的修復問題，若在髓芯減壓的基礎上進行BMSCs的移植，BMSCs沿髓芯減壓孔注入到骨壞死區域，提供修復重建股骨頭的種子細胞，在局部微環境的影響下，BMSCs 定向的向骨細胞分化，通過新生骨重建骨結構達到治療股骨頭壞死的效果［10］。

比較采用髓芯減壓術并BMSCs 移植相結合的治療方法與單純髓芯減壓治療早期(ARCOⅠ、Ⅱ期)股骨頭壞死的療效，結果顯示前者的療效明顯優于后者［11］。例如，Hernigou等［12］采用了髓芯減壓加自體骨髓移植的方法治療股骨頭壞死116例189 髖，其做法是取髂前上棘骨髓血經過離心后獲得干細胞懸液，在經過髓芯減壓以后，插入一個小套針管，首先注入少量造影劑，再經套管針注入制備好的干細胞懸液。對經過這樣治療的患者進行隨訪，術后7年，在對Ⅰ、Ⅱ期患者進行治療的145 髖中，只有9 髖需要再次進行關節置換手術。而在對Ⅲ、Ⅳ期患者治療的44 髖中，有25 髖需要再次進行關節置換手術。由此可見，髓芯減壓加BMSCs 移植是治療ARCOI、Ⅱ期股骨頭壞死安全有效的方法，但對Ⅲ、Ⅳ期患者療效欠佳。

通過髓芯鉆孔減壓結合BMSCs 移植治療股骨頭壞死的方法主要的優勢是采用了微創切口，由于治療過程中不破壞關節囊，因而對股骨頭的供血不會造成進一步的損害，同時也不妨礙其他治療手段的實施，可與之并用。但此方法也存在一些問題，例如，通常需要在髂前上棘取骨髓，術后可能造成手術區的疼痛;減壓區骨皮質外有出血，進而可能形成血腫，而血腫的形成不利于傷口的愈合，并易并發感染。

3.2 采用BMSCs 動脈內灌注治療股骨頭壞死 如上所述，雖然目前關于股骨頭壞死的發病機制還不清楚，但導致其病理性改變的是由于股骨頭血液供應遭到破壞這一點是明確的，因此，治療股骨頭壞死關鍵是需要恢復股骨頭區的血液供應，而自體干細胞移植誘導血管再生技術的出現為其治療提供了技術平臺，具有廣闊的應用前景。

Ji WF 等［13］對兔股骨頭壞死動物模型進行BMSCs 動脈灌注治療實驗，應用四環素熒光標記顯示，在BMSCs 治療組經兩周后出現了間充質細胞的增生，在周圍骨小梁表面有明顯的新骨形成，并伴有大量血管增生。楊曉鳳等［14］在臨床上對股骨頭壞死患者63例采用超選擇性股骨頭供血動脈干細胞移植術，取得了比較滿意的治療效果，經過治療后關節疼痛的緩解率為85.7%，關節功能改善率達30.2%，經檢查可見旋股內、外動脈及閉孔動脈管徑增粗，出現較多新生血管，明顯改善了股骨頭區的血液供應。其中對2例在治療18個月后進行了復查，結果可見股骨頭壞死區已經縮小，并有新骨形成。

采用BMSCs 動脈內灌注治療股骨頭壞死的機制可能與下列因素有關［13］，首先通過疏通出現病變的股骨頭內血管，進而改善了局部靜脈回流，降低了骨內壓，使股骨頭內的血液供應得到改善。其次，通過BMSCs 的植入也改善了股骨頭壞死區域周圍的血液供應，增強了髖部局部的血液循環，進而也能為股骨頭壞死區域提供良好的血液供應的局部環境。此外，通過BMSCs 的植入也能起到修復損傷血管、保護局部血管內皮的作用，加之有新生的血管，有利于建立局部良好的血液循環。

采用BMSCs 動脈內灌注治療股骨頭壞死的方法的主要優勢是由于是直接經股骨頭的供血動脈供給BMSCs，因此其安全性較高，效果也比較明確，且操作簡單易行。此方法目前還需要解決的問題是應該進一步明確經移植后干細胞在缺血組織內增殖分化的潛能，骨缺損修復的時間，影響治療效果的因素以及如何預防新生血管的再狹窄等。

3.3 BMSCs與組織工程學技術相結合治療股骨頭壞死 組織工程學是一門新興學科，隨著組織工程學技術的進步，為臨床多種疾病的治療提供了新的更有效的方法。組織工程學主要是將生命科學和工程學的原理及技術相結合，應用生物材料作為載體，研究開發設計構建或重建具有生理功能的各種組織器官，通過移植到體內，使之成為具有修復、維持或改善受損組織功能的生物替代物。骨組織工程學的目的是通過誘導新的功能骨的再生，與生物材料、細胞和各種因子協同進行治療［15］。

目前認為BMSCs 是最有臨床應用前景的種子細胞［16］，也是在組織工程學中常常被利用的“工具”。BMSCs與組織工程學技術相結合治療股骨頭壞死就是利用BMSCs 能被誘導分化為成骨細胞的特性，結合骨組織工程的生物支架及誘導功能，通過將BMSCs與某種形式的組織工程支架共同植入體內，定向地修復股骨頭壞死骨性病變。Livingston 等［17］將培養擴增后的BMSCs與生物支架材料共同用于犬骨缺損模型體內，經8 周后可見在植入物中幾乎每個孔中都含有相當數量的新骨形成，而且在受體骨與植入物的界面上也有大量新骨生成，出現一個跨缺損區的骨連續帶，在植入16 周后可見骨缺損已逐漸修復。

BMSCs與組織工程學技術相結合治療股骨頭壞死的機制可能與下列諸因素有關，其一，組織工程支架為各種所需生長因子提供了良好的載體，使BMSCs 在有利于向成骨細胞分化的微環境下有效地向目標組織分化［18］。其二，組織工程支架的使用確保了BMSCs 植入到壞死的股骨頭局部內，使療效明確。其三，由于組織工程支架具備三維立體結構，這樣就使其在植入壞死區后更有利于新生組織定位生長，即新生毛細血管、血管周圍組織和骨母細胞的長入。綜上所述，此方法具有很好的應用前景，目前需要解決的主要問題是組織工程學生物支架材料還處于研發階段，技術尚未成熟，臨床遠期效果還需要進一步明確，因此，在臨床中的廣泛應用還需要進一步的深入論證。

4 目前存在的主要問題

關于應用BMSCs 治療股骨頭壞死的臨床和基礎的研究雖然已取得了較大的進展，有很好的應用前景，但此項技術仍有許多問題有待解決。

BMSCs 的來源和數量有限，目前治療用的骨髓多為自體骨髓移植。Lee 等［19］研究發現，酒精性和自發性非創傷性股骨頭壞死的BMSCs 向成骨分化的能力明顯減弱，說明不同病因導致的股骨頭壞死的BMSCs 向成骨分化的能力有所差異。因此，必須建立一套高效的BMSCs 體外擴增活化技術，用來保證有足夠數量和活性的細胞滿足臨床需要。

誘導BMSCs 分化的細胞內信號轉導機制還有許多不明之處，目前已知的各種調控BMSCs 分化的因素之間的相互關系還需要進一步的深入研究。

在成骨過程中，需要弄清BMSCs 間的相互作用以及BMSCs 在細胞、組織微環境中定向分化所需的最佳條件，要以此為依據，才能建立最適于臨床應用的技術方法。

臨床療效、體內可控性以及安全性評價問題是BMSCs治療的根本問題。目前的臨床研究報道以短期觀察為主，缺乏長期隨訪及大樣本隨機對照研究。雖然目前沒有研究明確提示BMSCs 治療的副作用，但體外長期培養的BMSCs 若被移植到體內可能存在產生基因突變，誘發腫瘤的可能性，還需要長期的觀察與深入的研究。目前，需要建立科學的評價體系，以確保安全、可靠的應用。

BMSCs 治療是一種有別于常規藥物和手術治療的新技術，需要有相應的技術規范和管理機制，以確保技術的健康發展和醫患雙方的權益。

綜上所述，骨髓間充質干細胞在治療股骨頭壞死中的應用盡管還有許多問題需要進一步研究，但BMSCs 治療股骨頭壞死擁有取材容易、臨床治療可行性強、適用范圍廣等優勢，且隨著分子生物學和細胞生物學的迅速發展，將會逐漸明確促進BMSCs 進一步生長、分化為骨組織的生物學機制，明確調控其生物學作用的相關細胞因子，進而能夠更好地為分布在壞死局部的BMSCs 提供適宜的微環境。我們相信隨著對BMSCs 治療股骨頭壞死研究的不斷深入，將會為股骨頭壞死的微創治療開辟新的紀元。

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