應(yīng)用骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞治療股骨頭壞死的研究進展

康　凱， 邵　林， 韓劍鋒， 俞　亮， 孫浩淞， 杜大江

(哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院骨科,哈爾濱　150081; *通訊作者，E-mail：dudajiang@gmail.com)

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應(yīng)用骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞治療股骨頭壞死的研究進展

康凱， 邵林， 韓劍鋒， 俞亮， 孫浩淞， 杜大江*

(哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院骨科,哈爾濱150081;*通訊作者，E-mail：dudajiang@gmail.com)

股骨頭壞死(osteonecrosis of the femoral head，ONFH)是一種呈進行性發(fā)展的難治性疾病，為患者帶來極大的痛苦。該病是由多種病因造成的股骨頭內(nèi)骨松質(zhì)及骨細(xì)胞血液供應(yīng)缺乏而壞死，進而導(dǎo)致股骨頭關(guān)節(jié)軟骨下骨變性、壞死、塌陷，最終形成骨性關(guān)節(jié)炎[1]。ONFH主要發(fā)病年齡在30-40歲，其男性患者發(fā)病率為女性的3倍；另外，75%的患者為雙側(cè)髖關(guān)節(jié)同時發(fā)病[2]。間充質(zhì)干細(xì)胞(mesenchymal stem cells，MSCs)是干細(xì)胞家族的重要成員之一，來源于發(fā)育早期的中、外胚層，屬于多能干細(xì)胞，具有強大的自我增殖和多向分化的能力。骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(bone marrow mesenchymal stem cells，BMMSCs)能在特定的條件下經(jīng)誘導(dǎo)分化為成骨細(xì)胞，BMMSCs的特性說明其在體外培養(yǎng)具有良好的可控性。近年來，BMMSCs移植對ONFH的治療已取得重大進展[3]。本文就目前BMMSCs治療ONFH的主要研究進展做一綜述。

1ONFH的發(fā)病機制

ONFH的病因較復(fù)雜，主要由多種因素引起如外傷、應(yīng)用激素、酗酒和結(jié)締組織疾病等[4,5]。微循環(huán)障礙是特發(fā)性股骨頭壞死共同的發(fā)病機制，而決定其病理變化的主要因素包括：病因、生物力學(xué)作用、破骨細(xì)胞介導(dǎo)的骨吸收與骨的有效重塑率之間的平衡關(guān)系[6]。其發(fā)病機制最終導(dǎo)致微循環(huán)的破壞逐漸加重，骨細(xì)胞和骨髓組織嚴(yán)重壞死，BMMSCs向成骨細(xì)胞分化能力明顯減低，而破骨細(xì)胞對未受保護的骨小梁吸收增強，這樣使骨小梁變得稀疏細(xì)小。此外由于骨小梁中骨細(xì)胞的壞死而喪失礦物質(zhì)代謝功能，從而使其股骨頭內(nèi)機械強度明顯降低，當(dāng)骨小梁受應(yīng)力作用時易斷裂。在骨吸收形成骨壞死的同時也伴隨骨組織的自我修復(fù)，而修復(fù)的快慢情況取決于股骨頭局部的血液供應(yīng)及骨髓的功能狀態(tài)。

重建壞死骨小梁的過程需要BMMSCs的分裂增殖，在壞死的修復(fù)中還需由再生毛細(xì)血管、富含成纖維樣細(xì)胞的結(jié)締組織、BMMSCs分化的破骨及成骨細(xì)胞等合成的骨基質(zhì)來重建壞死的骨小梁。骨組織的吸收率與新生骨有效重塑率應(yīng)保持一定的平衡關(guān)系，而這種關(guān)系最終由BMMSCs向成骨細(xì)胞分化的能力、成骨細(xì)胞的功能狀態(tài)及破骨細(xì)胞的活動所共同決定[7]。總之，股骨頭壞死的特征是股骨頭內(nèi)骨松質(zhì)及骨細(xì)胞血液供應(yīng)的缺乏而壞死，隨后出現(xiàn)修復(fù)反應(yīng)，經(jīng)過一段時間后股骨頭出現(xiàn)進一步塌陷，最終形成髖關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎。

在股骨頭壞死的早期階段除患側(cè)腹股溝輕微疼痛外并無明顯的癥狀和體征，在X射線平片圖像上也無明顯陽性發(fā)現(xiàn)。隨著疾病的逐漸發(fā)展，疼痛變得越來越明顯，在X射線平片上開始出現(xiàn)典型的病變影像。隨后，股骨頭將出現(xiàn)明顯的塌陷，關(guān)節(jié)軟骨被破壞，關(guān)節(jié)間隙變窄，最終整個髖關(guān)節(jié)惡化成嚴(yán)重的骨性關(guān)節(jié)炎。

早期治療股骨頭壞死的方法主要有：減少股骨頭內(nèi)的機械負(fù)載壓力、旋轉(zhuǎn)截骨術(shù)、鉭棒植入等技術(shù)和方法[8]，例如髓芯減壓術(shù)和沖擊波治療以提高壞死區(qū)域的修復(fù)能力[9]。如早期治療不理想最終對ONFH治療采用全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)(total hip arthroplasty，THA)。然而，由于人工髖關(guān)節(jié)也存在一定的不確定因素和ONFH發(fā)病年齡的年輕化，我們需要更好的方法來防止股骨頭塌陷。

2BMMSCs

MSCs廣泛存在于身體組織中，如骨髓、脂肪組織、骨膜、肌肉、滑膜、肌腱、臍血管、牙髓和血管周圍[10]。目前已經(jīng)從這些組織中分離和提取出具有多向分化能力的MSCs，該細(xì)胞具有較強的自我更新和增殖能力[11]。它們可分化成骨、軟骨、脂肪組織、肌肉、肌腱和血管內(nèi)皮細(xì)胞，在特定的誘導(dǎo)條件下甚至可以分化為神經(jīng)細(xì)胞[12]。

BMMSCs具有較多優(yōu)點，如易采集、體外擴張快、免疫排斥反應(yīng)小、與宿主長期共存、多次傳代后仍能維持較強的分化能力和易轉(zhuǎn)染[13]。Friedenstein等[14]將體內(nèi)的BMMSCs移植在體外培養(yǎng)，幾周后，觀察到的成纖維細(xì)胞集落被證實是已分化成的骨組織，它們被稱為成骨細(xì)胞前體細(xì)胞。Bianco等[15]證實BMMSCs在體外培養(yǎng)易貼壁生長，且能形成細(xì)胞集落，并分化成祖細(xì)胞。BMMSCs不僅具有上述干細(xì)胞的基本特征，而且它們能分化成各種類型的結(jié)締組織細(xì)胞，例如成骨細(xì)胞、成軟骨細(xì)胞、成肌細(xì)胞、成脂細(xì)胞等。在一定條件下也可分化為心肌細(xì)胞、神經(jīng)細(xì)胞和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞。此外，他們的組織特異性分化表明，當(dāng)BMMSCs在組織微環(huán)境達(dá)到相關(guān)條件時可誘導(dǎo)定向分化。

3MSCs用于治療ONFH

對于現(xiàn)今許多難治性疾病，細(xì)胞移植無疑是一種比較有效的方法。移植的自身細(xì)胞一般具有特定功能，不僅可根據(jù)受損部位修復(fù)部分功能，而且可避免對身體毒性作用或應(yīng)用傳統(tǒng)的藥物而引起的副作用[16]。MSCs已被廣泛應(yīng)用于修復(fù)骨缺損、軟骨缺損、組織損傷、骨關(guān)節(jié)炎和股骨頭壞死，在臨床的其他領(lǐng)域也被應(yīng)用[17]。

3.1髓芯減壓和MSCs移植

髓芯減壓是治療早期股骨頭壞死重要手術(shù)方法之一，主要是通過髓芯減壓打通阻礙骨壞死修復(fù)的硬化帶，來緩解股骨頭內(nèi)的高壓環(huán)境，并改善骨壞死區(qū)的血液供應(yīng)[18]。在髓芯減壓后進行MSCs移植，可為壞死股骨頭的修復(fù)與重建提供種子細(xì)胞，促進股骨頭的修復(fù)重建和新骨爬行替代[19]。

Hernigou等[20]在芯減壓基礎(chǔ)上行自體骨髓移植治療ONFH 116例189髖，所有患者術(shù)后平均隨訪7年，對于Ficat Ⅰ-Ⅱ期進行治療的有145髖，其中僅有9髖需要再次手術(shù)行關(guān)節(jié)置換治療;此外，對于Ficat Ⅲ-Ⅳ期進行治療的有44髖，其中有25髖需要再次手術(shù)行關(guān)節(jié)置換治療。研究人員認(rèn)為，這種技術(shù)可以用來提高股骨頭壞死區(qū)域的修復(fù)，至少在股骨頭發(fā)生損傷的早期階段是有明顯療效的。Rastoqi等[21]得出的結(jié)論同樣是髓芯減壓結(jié)合自體的BMMSCs植入是一種安全有效的方法。Cuervas-Mons等[22]對應(yīng)用髓芯減壓基礎(chǔ)上植入BMMSCs治療股骨頭的效果進行評估，得出的結(jié)論是在治療期間第2年改善髖關(guān)節(jié)功能和避免全髖關(guān)節(jié)置換占股骨頭壞死病人總數(shù)的75.3%。

然而，上述結(jié)果是存在部分爭議的。如Lim等[23]比較兩組股骨頭壞死治療的臨床效果和放射學(xué)結(jié)果：一組是應(yīng)用多個鉆孔髓芯減壓聯(lián)合干細(xì)胞移植，另一組是應(yīng)用其他髓芯減壓方法、刮除術(shù)以及骨移植。但得出的結(jié)論是兩組數(shù)據(jù)間無顯著統(tǒng)計學(xué)差異。

ONFH應(yīng)根據(jù)患者年齡、病變分期、壞死位置和范圍、塌陷危險性等進行個體化選擇性治療，需明確掌握ONFH的治療原則，只有根據(jù)壞死的具體分期等采取相應(yīng)的治療方法才能獲得最佳效果。關(guān)于早期階段的股骨頭壞死，在髓芯減壓的基礎(chǔ)上行BMMSCs移植已取得較好的手術(shù)效果;然而，對于晚期階段的ONFH病人，此方法的療效較差，在治療時需慎重選擇。一旦塌陷進入中或晚期階段(塌陷的程度超過4 mm，且持續(xù)時間超過6個月)，則人工髖關(guān)節(jié)治療是最佳選擇[24]。

3.2骨組織工程技術(shù)和MSCs

組織工程技術(shù)是根據(jù)工程學(xué)原理和細(xì)胞生物學(xué)進行研究的，通過將體外培養(yǎng)的活細(xì)胞種植到具有良好生物相容性和可降解性的天然或人造的聚合物支架上，將其移植到有缺陷的組織或器官進行修復(fù)和重建[25]。該組織工程有三個主要組成部分：種子細(xì)胞、信號因子及支架材料[26，27]。理想的骨種子細(xì)胞應(yīng)該具有以下幾種特點：①是無特定功能的原始細(xì)胞，且結(jié)構(gòu)相對簡單；②很容易取材，很少對身體造成傷害;③體外培養(yǎng)具有較強的自我增殖能力，當(dāng)在一定條件下可向特定方向分化;④具有自我更新能力；⑤能穩(wěn)定表達(dá)成骨細(xì)胞表型;⑥治療時植入后能夠繼續(xù)產(chǎn)生成骨活動;⑦無致瘤性[28]。

MSCs具有較強的分化潛能和增殖能力，且該細(xì)胞在來源、分離方式和分化組織類型等方面對修復(fù)ONFH骨缺損具有獨特的優(yōu)勢，因此是骨組織工程種子細(xì)胞最為理想的選擇[29]。由MSCs制成的復(fù)合支架植入后可以在結(jié)構(gòu)上加強壞死缺損部位的修復(fù)，還可作為細(xì)胞、基因和生長因子的生物載體。此外，MSCs能整合細(xì)胞與受體進而調(diào)節(jié)細(xì)胞功能。在過去的研究中，裝嵌有BMMSCs的骨基質(zhì)支架能有效地刺激羊股骨頭壞死模型的骨再生[30]。一些研究人員已經(jīng)使用MSCs作為種子細(xì)胞在臨床或?qū)嶒炛羞M行研究，并取得了非常成功的結(jié)果[31]。Kawate等[32]通過采用植入MSCs的β-磷酸三鈣陶瓷材料和吻合血管的游離腓骨移植治療股骨頭壞死，早期觀察到了骨組織再生，疾病得到控制，表明該組織工程方法對ONFH的治療具有較好潛能。

骨組織工程快速發(fā)展為BMMSCs治療ONFH帶來了新的希望，骨組織工程可以構(gòu)造一個壞死股骨頭的三維結(jié)構(gòu),有利于新生毛細(xì)血管、周圍組織和骨祖母細(xì)胞的長入[33]。此外，此種方法可改善生物材料的誘導(dǎo)能力，并為信號因子提供了良好的載體，更有效地使BMMSCs向目標(biāo)組織成骨細(xì)胞分化。同時，利用支架以保證BMMSCs在骨壞死區(qū)域中具有較高濃度，進一步促進成骨[34]。但是，許多支架目前在研發(fā)過程中受諸多因素的影響，如成本高、技術(shù)不成熟等限制。因此，還需進一步研發(fā)及優(yōu)化材料，使其更加安全，臨床療效更加明顯。

3.3基因轉(zhuǎn)染BMMSCs移植

對目的基因采用各種載體材料轉(zhuǎn)入BMMSCs細(xì)胞內(nèi)，并將其植入股骨頭骨壞死區(qū)域的方法取得了令人振奮的結(jié)果。骨形態(tài)發(fā)生蛋白(bone morphogenetic proteins，BMP)可以促進骨形成及促進成骨異位。Xiao等[35]研究表明，應(yīng)用重組BMP-2的BMMSCs培養(yǎng)的支架材料移植治療ONFH是比較理想的選擇。Tang等[36]研究表明，裝載有BMP-2基因轉(zhuǎn)導(dǎo)的BMMSCs多孔β-TCP對早期ONFH的治療均優(yōu)于其他方法。崔大平等[37]通過觀察VEGF-165聯(lián)合BMP-2體外修飾BMMSCs移植治療兔股骨頭壞死效果，得出的結(jié)論是這種細(xì)胞具有明顯的成骨作用，能加快股骨頭壞死的修復(fù)過程。

3.4MSCs動脈灌注

如上所述，ONFH指一系列病因引起的股骨頭部分血液供應(yīng)阻塞的病理過程。因此，改善股骨頭的血液供應(yīng)是治療的主要方向之一。自體干細(xì)胞移植血管再生技術(shù)的存在為當(dāng)前治療股骨頭壞死提供了更廣闊的前景[38]。

MSCs對部分血管內(nèi)皮具有保護作用，該細(xì)胞能明顯加強血管內(nèi)皮細(xì)胞的修復(fù)與再生，還可提高血管增生能力。 Kocher等[39]證實，MSCs與前體內(nèi)皮細(xì)胞均可促進缺血動物模型的血流恢復(fù)。Kinnaird等[40]發(fā)現(xiàn)，向大鼠的缺血后肢肌肉注射體外培養(yǎng)的骨源性干細(xì)胞能促進側(cè)支循環(huán)和肢體功能恢復(fù)，且與血管生成相關(guān)的細(xì)胞因子的基因表達(dá)的水平也增加了。MSCs的選擇性動脈灌注可改善靜脈血流，有效降低骨內(nèi)壓力，恢復(fù)和改善股骨頭的血液供應(yīng)，促進股骨頭骨壞死區(qū)周圍的血液循環(huán)，為股骨頭壞死的早期恢復(fù)提供良好的環(huán)境。Mao等[41]對62例股骨頭壞死的患者(78髖)經(jīng)股骨頭內(nèi)側(cè)旋股動脈進行BMMSCs灌注治療，恢復(fù)率達(dá)92.31%(72/78髖)，只有6髖(7.69%)需要行人工髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)，取得了滿意的臨床效果，最終得出MSCs動脈灌注治療早期股骨頭壞死是一種有效、安全的方法。

相比其他方法治療股骨頭壞死，干細(xì)胞的選擇性動脈灌注為干細(xì)胞的存活和分化創(chuàng)造了一個良好的環(huán)境，該方法具有創(chuàng)傷小、無不良反應(yīng)及患者依從性好等優(yōu)點。

4總結(jié)

目前我國臨床上應(yīng)用BMMSCs治療股骨頭壞死較少，但隨著分子和細(xì)胞生物學(xué)的迅速發(fā)展，BMMSCs等方面的研究也將逐漸加深，相信應(yīng)用干細(xì)胞的基因轉(zhuǎn)染和組織工程方面治療ONFH將會有更為廣闊的應(yīng)用前景。但現(xiàn)研究的多能干細(xì)胞向成骨細(xì)胞或血管內(nèi)皮細(xì)胞分化是目前BMMSCs治療ONFH的唯一機制，而對于ONFH的各階段的病理過程可在干細(xì)胞水平做進一步的研究。各種生物因子的研究將對干細(xì)胞具有支持和促進作用，能使其分化為成熟的MSCs。利用細(xì)胞外基質(zhì)模擬體內(nèi)微環(huán)境是一個熱門的研究話題，為微創(chuàng)手術(shù)治療股骨頭壞死的治療創(chuàng)建一個新的時代[42]。

目前，越來越多研究表明，用MSCs治療股骨頭壞死在病理的各個階段都能起到一定的作用[43]。然而，有些方法本身仍然存在問題，例如，MSCs的來源相對有限，主要取自自體髂骨骨髓。另外，一些研究表明，股骨頭壞死的過程中的MSCs的生存能力明顯減弱，且骨髓性疾病是全身性的，而非局部性的[44]。

在今后的研究中，有關(guān)MSCs生物學(xué)特性的一些問題應(yīng)該可以得到解決。例如，成骨的過程中，MSCs之間如何相互影響？BMMSCs的免疫表型及其作用是怎樣的？來自不同來源的MSCs的分化潛能是一樣的嗎？MSCs經(jīng)過多代重復(fù)培養(yǎng)其自我更新及多向分化潛能一樣嗎？移植骨的骨形成和正常的骨形成在組織學(xué)和生物力學(xué)方面有哪些不同 ？此外，在植入部位形成畸胎瘤的危險使MSCs的臨床應(yīng)用受到限制。雖然存在許多問題需要進一步研究，但經(jīng)過研究努力MSCs肯定會廣泛被應(yīng)用于臨床。

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[收稿日期：2015-11-22]

作者簡介：康凱，男，1989-02生，在讀碩士，E-mail：kangkai012105@163.com.

中圖分類號：R68

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1007-6611(2016)02-0187-05

DOI：10.13753/j.issn.1007-6611.2016.02.022

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(31000433)