骨髓間充質干細胞移植在骨缺損病中的作用及骨傷科病中的應用進展

李應福 謝興文 李 寧 徐世紅 李鼎鵬

(甘肅中醫藥大學，甘肅 蘭州 730000)

骨髓間充質干細胞移植在骨缺損病中的作用及骨傷科病中的應用進展

李應福 謝興文1李 寧 徐世紅1李鼎鵬1

(甘肅中醫藥大學，甘肅 蘭州 730000)

骨髓間充質干細胞；骨缺損

目前在缺損處充填異體骨、自體骨、人工合成骨替代品等材料進行組織修復再生是臨床治療骨缺損最多的治療方法，但由于各自存在的局限性導致其臨床效果較差，同時一些骨科難治性疾病發生率也逐漸增高。因此如何能將缺損的骨組織進行快速、有效地修復，或將骨科領域中一些難治性疾病達到一個滿意的療效已成為修復重建及骨與關節外科領域需要探索與研究的亮點〔1〕。本文就骨髓間充質干細胞(BMSCs)在骨缺損病中及骨傷科病中的作用及應用、優勢與不足作簡要闡述。

1 BMSCs簡述

BMSCs具有高度自我更新能力、弱免疫原性及良好的組織分化潛能〔2〕。在特定微環境的誘導條件下使BMSCs向脂肪細胞、軟骨細胞、成骨細胞、肌腱細胞、韌帶、神經和骨骼肌等增殖和分化〔3～5〕。同時發現損傷附近的成骨細胞分泌的多種生長因子可與BMSCs表面的受體結合，聯合BMSCs的歸巢作用使其到達組織損傷及缺損部位，參與機體缺損部位修復和加速周圍細胞組織再生〔6〕。

2 BMSCs在骨缺損病中的作用

骨缺損是目前臨床較為常見的病，因傳統方法(自體骨、異體骨移植，人工合成骨等)不能滿足患者的醫療效果需求，而BMSCs近年在這方面有了突破性的進展，越來越廣泛的被醫生及患者所接受。王鯤等〔7〕發現BMSCs移植治療可提高缺損區的堿性磷酸酶含量，并加速缺損區的修復速度。周常艷等〔8〕用電鉆將新西蘭兔制成股骨滑車部直徑5 mm的骨-軟骨缺損模型，分別設實驗組(植入BMSCs與磷酸鈣骨水泥復合物)、對照組(植入單純磷酸鈣骨水泥材料)、空白組(不植入任何材料)，經對不同時間點的取材并攝X線片、生物力學檢測及組織形態學觀察，發現實驗組新骨形成的速度和數量、骨標本抗彎曲能力的最大負荷和最大應力及成骨細胞與骨小梁出現時間均優于其他兩組。該實驗將磷酸鈣骨水泥與BMSCs相結合，利用磷酸鈣骨水泥具有優越的生物相容性及BMSCs釋放的細胞因子可促進細胞不斷成骨并加速材料的降解這一特性，順利完成骨再生替代材料的復雜過程。景彩霞等〔9〕研究說明BMSCs的成骨作用可與同種異體骨的骨傳導作用結合并加速下頜骨缺損的重建再生。同時也驗證了骨誘導理論，即BMSCs在骨移植過程中不僅促進同種異體骨的成骨轉化，且以一種加速劑骨誘導成分的存在，達到更好的骨修復和再生。韓操等〔10〕研究說明載體復合支架材料聯合自體BMSCs植入處填加堿性成纖維細胞生長因子，的確能夠加快骨再生，增強骨修復能力。無論是單純自體BMSCs植入、聯合同種異體骨植入、聯合復合支架材料植入骨缺損處，還是自體BMSCs載體支架材料聯合某一種特異性細胞生長因子植入骨缺損區域，均可使種植體與組織工程骨形成良好的骨結合與骨傳導，能快速且安全的修復骨缺損。

3 BMSCs移植治療骨傷科病的研究現狀

BMSCs在特定的微環境條件下具有較強的定向分化潛能、良好的生物學活性和可自體移植等特點。通過大量的基礎實驗及臨床試驗研究表明BMSCs移植治療在骨傷科疾病，尤其是近年高發生率且難治性疾病中顯現出舉足輕重的作用。

3.1 骨腫瘤 近年發現BMSCs與腫瘤發病機制有密不可分的關系，認為從BMSCs系惡變而來的某些分子會促進某些間質癌的進展，例如骨肉瘤，并且BMSCs可選擇性的優先推動腫瘤轉移至骨，使骨組織中存在大量的腫瘤干細胞和癌細胞〔11〕。正因如此，利用BMSCs自身獨有的生物學特性，將BMSCs移植至腫瘤周圍，其通過某些治療因子經循環系統到達病變部位，這樣既避免了上面所述BMSCs與腫瘤細胞發生直接接觸從而加重病情，又能有效的抑制腫瘤生長與擴散〔12〕，這既減輕了患者的經濟負擔，又提高了其生活質量。

3.2 脊髓傷 眾所周知，當人體神經系統受到損傷后，其相應結構及功能基本無法恢復，通過藥物、手術及神經移植、基因治療等多種療法雖有一定程度的療效，但都不能達到患者滿意度。因此神經生物學聯合BMSCs的研究慢慢發展且不斷深入，從首次BMSCs植入大鼠中樞神經系統實驗到目前大量成熟的BMSCs移植被誘導分化為神經樣細胞的動物實驗及臨床試驗。均證明脊髓損傷類疾病可通過BMSCs移植治療來實現神經功能及神經系統相應結構的恢復〔13〕。Sakai等〔14〕觀察BMSCs移植治療動物脊髓損傷療效，1 w后發現其步態顯著改善，5 w后對損傷區域進行組織學觀察，發現移植區有少量新生神經纖維束存在，說明BMSCs通過特定微環境可分化為神經細胞，并有效恢復神經功能。有研究報道，將自體BMSCs直接注射到5例急性完全性脊髓損傷患者的損傷部位，并結合粒巨細胞集落刺激因子定時注射，通過1.5年的隨訪，5例患者做MRI示：相鄰斷裂的脊髓有纖維束連接，且運動和感覺功能均有不同程度的改善〔15〕。Cantinieaux等〔16〕通過BMSCs移植后都可以促進脊髓損傷后的神經修復，改善運動功能，還發現其主要經過促進軸突生長、促進血管新生及保護神經軸突的途徑進行緩慢修復。那么BMSCs移植是否可應用于脊髓損傷的任意一期呢？基于此問題，通過眾多學者的不斷研究與探索發現無論是基礎實驗還是臨床試驗都顯示BMSCs移植治療脊髓損傷在急性期和亞急性期作用明顯，療效突出；在慢性期幾乎無治療作用〔17〕。

3.3 股骨頭壞死(ONFH) 目前，ONFH病因病理及發病機制尚未明確，限制了其治療的準確性及有效性。近年來興起的人工關節置換術雖然有明確療效，但仍有很多爭議〔18〕。那么對于年輕的ONFH人群面臨翻修甚至再翻修是否是不可避免的趨勢？隨著對研究方式的探索和改進以及干細胞研究的發展，使更多的人相信ONFH的發病與細胞水平有密切的相關性。

BMSCs作為一種特異性的種子細胞，Asada等〔19〕直接將濃縮后的BMSCs植入壞死的股骨頭區域，結果發現使ONFH發生率顯著降低。王佰亮等〔20〕對45例非創傷性股骨頭壞死患者采用含高濃度BMSCs的自體骨髓血結合髓心減壓的方法治療，結合Harris 評分和影像學觀察，平均隨訪27.64個月，結果發現其治療Ⅰ期股骨頭壞死有效率為100%，Ⅱ期為87.5%，隨著病情的加重其有效率逐漸降低，表明含高濃度BMSCs的自體骨髓血結合髓心減壓的方法只適用于早期ONFH，對于中后期ONFH治療效果相對較差，但在一定程度又起到防止股骨頭塌陷或進展的作用。Wang等〔21〕對20例ONFH通過自體松質骨及BMSCs移植+髓芯減壓的方法治療，發現患者疼痛減輕，關節活動功能改善，療效滿意。目前越來越多的學者認識到磷酸鈣骨水泥雖然在骨組織工程中被認為是一種優良的支架材料〔22〕，但由于對其生物力學硬度、強度及降解性能等方面不足的擔憂，導致鮮有BMSCs聯合磷酸鈣骨水泥治療ONFH的報道。而趙亮等〔23〕通過在磷酸鈣骨水泥中加入可吸收纖維、chitosan液相和臍帶基質組織的MSCs(hUCMSCs)微球成功構建了一種新型可注射強化型磷酸鈣骨水泥復合物/臍帶MSCs水凝膠微囊組織工程骨。其抗彎曲強度、斷裂功及彈性模量均已達到或超過其他可注射骨生物替代材料及松質骨的力學強度，并且其內的hUCMSCs又具有良好的細胞活性和成骨分化能力，該組織工程骨將為治療ONFH及骨修復領域等方面提供了可靠的保障。

4 BMSCs應用于骨科疾病的不足與展望

雖然BMSCs取材相對容易，無免疫排斥反應，被應用于臨床多種疾病的治療，是一種有前途的細胞替代治療的靶細胞，但目前仍有一系列需要繼續探索和發現的問題存在。由于其在骨髓中含量較低、提純難度大，低BMSCs定向分化率及成本高等劣勢〔24〕，這對其臨床應用無形中造成壁壘；利用BMSCs治療骨缺損時，如果在骨缺損區域直接注射BMSCs，由于自身血液沖洗很容易造成流失，導致其濃度降低、成骨作用減弱，修復速度也隨之減慢，另外確保細胞擁有足夠的氧氣和養分，加快成骨作用，那么其與毛細血管的最適距離是多少？因此，尋求最佳傳遞途徑及間距是保證良好療效的關鍵；BMSCs 聯合應用載藥復合支架，其支架的材料、結構與材料中復合的生長因子通過改變哪些特征既能發揮主動修復功能，又具有“可調控生物響應”材料的特性〔25〕，BMSCs 聯合不同生物材料的支架，其最佳生物支架的選取、支架孔隙大小及孔隙率是保證種子細胞的營養及在生物材料上分布均勻的重點，接種密度和初始有效濃度的多少直接影響成骨能力，這些問題仍需大量的基礎實驗和臨床試驗研究確定；利用水凝膠中 hUCMSCs 雖具有成骨作用及細胞活性，但缺乏增殖能力，因此在磷酸鈣骨水泥固化后，如何使支架材料所需的種子細胞與水凝膠的快速降解釋放細胞相匹配，需要更多學者進一步探索與研究。相信在不遠的將來，BMSCs在臨床治療骨缺損、股骨頭壞死、脊髓損傷等疾病，甚至更廣領域中會給人們帶來更多的喜訊與福音。

1 Mao L，Tamura Y，Kawao N，etal.Influence of diabetic state and vitamin D deficiency on bone repair in female mice〔J〕.Bone，2014；61(1)：102-8.

2 連真珍，林紹強.骨髓間充質干細胞的特性及應用基礎研究進展〔J〕.中華細胞與干細胞雜志(電子版)，2013；3(1)：22-6.

3 Tan SL，Ahmad TS，Selvaratnam L，etal.Isolation, characterization and the multi-lineage differentiation potential of rabbit bone marrow-derived mesenchymal stem cells〔J〕.J Anat，2013；222(4)：437-50.

4 Yin F，Meng CY，Lu RF，etal.Bone marrow mesenchymal stem cells repair spinal cord ischemia/reperfusion injury by promoting axonal growth and anti-autophagy〔J〕.Neural Regen Res，2014；9 (18)：1665-71.

5 Li Y，Hua X，Hua F，etal.Are bone marrow regenerative cells ideal seed cells for the treatment of cerebral ischemia〔J〕.Neural Regen Res，2013；8(13)：1201-9.

6 Kittaka M，Shiba H，Kajiya M，etal.The antimicrobial peptide LL37 promotes bone regeneration in a rat calvarial bone defect〔J〕.Peptides，2013；46：136-42.

7 王 鯤，伏小平，楊志華，等.骨髓間充質干細胞移植修復高原大鼠股骨缺損〔J〕.中國組織工程研究，2014；18(14)：2185-90.

8 周常艷，周慶煥，邊 竟，等.骨髓間充質干細胞與磷酸鈣骨水泥復合物修復兔關節軟骨缺損〔J〕.中國組織工程研究，2015；19(8)：1195-9.

9 景彩霞，劉昌奎，譚新穎，等.骨髓間充質干細胞與同種異體骨復合修復犬下頜骨缺損：成骨能力檢測〔J〕.中國組織工程研究，2015；19(14)：2138-43.

10 韓 操，馬 寧，李忠義.等.自體骨髓間充質干細胞載體復合物修復骨缺損的組織學觀察〔J〕.中國組織工程研究，2015；19(6)：891-7.

11 Quante M，Tu SP，Tomita H，etal.Bone marrow-derived myofibroblasts contribute to the mesenchymal stem cell niche and promote tumor growth〔J〕.Cancer Cell，2011；19(2)：257-72.

12 童 春，郭 智.骨髓間充質干細胞與腫瘤發病機制的相關性研究〔J〕.實用癌癥雜志，2015；30(1)：153-5.

13 李 靜，張仁東.骨髓間充質干細胞研究進展〔J〕.四川解剖學雜志，2014；22(1)：38-40.

14 Sakai K，Yamamoto A，Matsubara K，etal.Human dental pulp-derived stem cells promote locomotor recovery after complete transaction of the rat spinal cord by multiple neuro-regenerative mechanisms〔J〕.J Clin Invest，2012；122(1)：80-90.

15 Burns AS，O′Connell C.The challenge of spinal cord injury care in the developing world〔J〕.J Spinal Cord Med，2012；25(1)：3-8.

16 Cantinieaux D，Quertainmont R，Blacher S，etal.Conditioned medi-um from bone marrow-derived mesenchymal stem cells improves recovery after spinal cord injury in rats：an original strategy to avoid cell transplantation〔J〕.PLoS One，2013；8(8)：e69515.

17 高德萱，賈全章，李東君，等.骨髓間充質干細胞修復損傷脊髓的實驗及臨床應用短期隨訪〔J〕.中國組織二程學，2011；15(27)：5016-20.

18 康武林，袁普衛.股骨頭壞死與骨髓間充質干細胞移植研究進展〔J〕.中國矯形外科雜志，2013；21(19)：1954-7.

19 Asada T，Kushida T，Umeda M，etal.Prevention of corticosteroid-induced osteonecrosis in rabbits by intra-bone marrow injection of autologous bone marrow cells〔J〕.Rheumatology ( Oxford)，2008；47(5)：591-6.

20 王佰亮，李子榮，孫 偉，等.濃縮自體骨髓移植治療非創傷性股骨頭壞死的臨床研究〔J/CD〕.中華關節外科雜志：電子版，2011；5(4)：426-32.

21 Wang T，Wang W，Yin ZS.Treatment of osteonecrosis of the femoral head with thorough debridement，bone grafting and bone-marrow mononuclear cells implantation〔J〕.Eur J Orthop Surg Traumatol,2014;24(2):197-202.

22 Lee GS，Park JH，Shin US，etal.Direct deposited porous scaffolds of calcium phosphate cement with alginate for drug delivery and bone tissue engineering〔J〕.Acta Biomater,2011；7(8)：3178-86.

23 趙 亮，Hockin Xu，王 健，等.磷酸鈣骨水泥復合物/臍帶間充質干細胞凝膠構建組織工程骨〔J〕.中華關節外科雜志，2012;6(2)：55-8.

24 Kang BJ，Ryu HH，Park SS，etal.Comparing the osteogenic potential of canine mesenchymal stem cells derived from adipose tissues，bone marrow，umbilical cord blood，and Wharton′s jelly for treating bone defects〔J〕.J Vet Sci，2012;13(3)：299-310.

25 Rajangam T，An SS.Fibrinogen and fibrin based micro and nano scaffolds incorporated with drugs，proteins，cells and genes for therapeutic biomedical applications〔J〕.Int J Nanomedicine,2013；8：3641-62.

〔2016-01-12修回〕

(編輯 袁左鳴)

國家自然科學基金資助項目(No.81460735)

謝興文(1972-)，男，碩士生導師，主任醫師，博士，主要從事中醫藥對骨傷疾病的研究。

李應福(1989-)，男，在讀碩士，主要從事中醫藥防治骨傷疾病研究。

R-1

A

1005-9202(2017)03-0751-03；

10.3969/j.issn.1005-9202.2017.03.101

1 甘肅省中醫院