不同來(lái)源間充質(zhì)干細(xì)胞在骨性關(guān)節(jié)炎及軟骨缺損治療中應(yīng)用的研究進(jìn)展

王艾彤，肖建輝(遵義醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院，貴州遵義563000)

骨性關(guān)節(jié)炎是一種關(guān)節(jié)軟骨的退行性疾病，其病理特征為關(guān)節(jié)軟骨缺乏血液供應(yīng)，受損后自我修復(fù)能力不足，后期可引起關(guān)節(jié)軟骨退化、疼痛和關(guān)節(jié)僵硬[1]。骨性關(guān)節(jié)炎的保守治療藥物主要是非甾體類抗炎藥，手術(shù)以全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)為主[2]，但治療效果均欠佳。間充質(zhì)干細(xì)胞(MSCs)是最具代表性的成體干細(xì)胞，來(lái)源豐富、制備簡(jiǎn)單，是再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域最有臨床應(yīng)用前景的種子細(xì)胞[3]。MSCs具有良好的免疫調(diào)節(jié)活性和旁分泌能力，能夠釋放合成細(xì)胞因子并直接分化成特異性結(jié)締組織細(xì)胞，遷移到損傷部位，刺激祖細(xì)胞增殖，抑制軟骨細(xì)胞凋亡和軟骨變性，促進(jìn)組織修復(fù)，且不會(huì)影響周圍未受損軟骨細(xì)胞的正常生理活動(dòng)，對(duì)于骨性關(guān)節(jié)炎及軟骨缺損的治療具有重要意義[4,5]。本文就不同來(lái)源MSCs在骨性關(guān)節(jié)炎及軟骨缺損治療中的應(yīng)用研究進(jìn)展作一綜述。

1 骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(BMSCs)

從骨髓中分離的MSCs具有易分離、易增殖和高分化潛能等優(yōu)勢(shì)，在培養(yǎng)基中添加特定物質(zhì)，如轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β(TGF-β)、地塞米松、抗壞血酸等，可誘導(dǎo)BMSCs向軟骨細(xì)胞分化，且移植BMSCs后機(jī)體不會(huì)發(fā)生排斥反應(yīng)[6]。王鯤等[7]用大鼠BMSCs移植治療高原大鼠股骨缺損模型，結(jié)果顯示BMSCs能增加堿性磷酸酶陽(yáng)性染色。有研究采用大鼠BMSCs移植治療大鼠半月板缺損模型，結(jié)果顯示BMSCs能有效促進(jìn)半月板再生，抑制膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎的發(fā)展[8]。兔BMSCs聯(lián)合支架材料治療軟骨缺損動(dòng)物模型療效亦明顯。Shi等[9]在紫外光下交聯(lián)小分子Kartogenin與兔BMSCs治療兔關(guān)節(jié)軟骨缺損模型療效顯著；有研究組將兔BMSCs與磷酸鈣骨水泥復(fù)合物植入新西蘭兔骨-軟骨缺損模型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)組成骨細(xì)胞數(shù)量多于非細(xì)胞移植組，骨小梁出現(xiàn)時(shí)間早于非細(xì)胞移植組[10]。此外，采用BMSCs移植治療骨性關(guān)節(jié)炎和軟骨缺損時(shí)，合理添加生物活性因子可發(fā)揮明顯的協(xié)同增強(qiáng)效應(yīng)。Heck等[11]研究發(fā)現(xiàn)，過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體(PPAR)激動(dòng)劑可抑制滑膜炎癥，使BMSCs成功分化為功能性軟骨。因此，BMSCs對(duì)骨性關(guān)節(jié)炎和軟骨缺損的治療均具有積極作用，但是骨髓抽吸物獲取BMSCs數(shù)量過(guò)少，僅能從吸出物中分離出0.001%～0.02%的單核細(xì)胞，且存在引起供區(qū)并發(fā)癥的風(fēng)險(xiǎn)。此外，BMSCs的分化能力與供應(yīng)者年齡密切相關(guān)，供體年齡越大，BMSCs分化能力越低，治療效果越差。

2 脂肪間充質(zhì)干細(xì)胞(ADSCs)

脂肪組織也是MSCs的重要來(lái)源，在實(shí)驗(yàn)室可以侵入性較小的方法獲得300倍BMSCs數(shù)量的ADSCs。抽脂手術(shù)產(chǎn)生的醫(yī)療廢棄脂肪組織也是分離ADSCs的重要原料，且分離方法比制備BMSCs更簡(jiǎn)便。ADSCs在治療軟骨損傷方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。骨質(zhì)疏松供體BMSCs的數(shù)量和質(zhì)量降低，但ADSCs不受骨質(zhì)情況的影響[12]。ADSCs體積較小，增殖能力更強(qiáng)、可傳代次數(shù)多、干性特征更穩(wěn)定。骨形態(tài)發(fā)生蛋白能促進(jìn)ADSCs分化為軟骨樣細(xì)胞，ADSCs聯(lián)合支架材料已成功用于靶向治療骨性關(guān)節(jié)炎和軟骨缺損，并取得較好效果。有研究組使用殼聚糖水凝膠混合兔皮下脂肪層提取的ADSCs移植至兔軟骨缺損模型，結(jié)果顯示未引起異物炎癥反應(yīng)，軟骨缺損處逐漸生成透明軟骨樣組織[13]。Moutos等[14]將ADSCs移植入白細(xì)胞介素1受體拮抗劑和聚己內(nèi)酯構(gòu)建的支架內(nèi)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)可形成有效的軟骨構(gòu)建體，該軟骨構(gòu)建體對(duì)受損軟骨具有良好的修復(fù)作用；同時(shí)該研究證實(shí)ADSCs能旁分泌抗炎細(xì)胞因子，明顯減少炎癥反應(yīng)的發(fā)生。

3 滑膜間充質(zhì)干細(xì)胞(SMSCs)

關(guān)節(jié)腔內(nèi)的滑膜組織也存在一定數(shù)量的MSCs。早在本世紀(jì)之初，比利時(shí)Luyten研究組成功從人滑膜組織中分離SMSCs，而且發(fā)現(xiàn)供體年齡、冷凍保存和細(xì)胞傳代數(shù)均不會(huì)影響SMSCs的分化潛能。滑膜可通過(guò)關(guān)節(jié)鏡以低侵入性方式獲取，因此制備SMSCs時(shí)供體所受傷害較小。以往研究表明，SMSCs比與供體匹配的其他MSCs具有更強(qiáng)的成軟骨分化潛能，提示SMSCs移植治療軟骨缺損的效果更好[15]。Santhagunam等[16]采用動(dòng)態(tài)培養(yǎng)法培養(yǎng)SMSCs，結(jié)果顯示其呈自動(dòng)向軟骨細(xì)胞分化的趨勢(shì)。其他MSCs移植治療骨性關(guān)節(jié)炎和軟骨缺損短期內(nèi)即有一定治療效果，但在移植24周后療效開始減退，而SMSCs移植治療的中長(zhǎng)期療效較明顯，且療效穩(wěn)定。分析原因，SMSCs形成的組織是透明軟骨，更適應(yīng)關(guān)節(jié)內(nèi)微環(huán)境[17]；SMSCs作為關(guān)節(jié)軟骨主要內(nèi)環(huán)境因子，其修復(fù)受損軟骨特異性較強(qiáng)。臨床試驗(yàn)結(jié)果提示，SMSCs能促進(jìn)機(jī)體產(chǎn)生透明軟骨以修復(fù)軟骨缺損組織，患者術(shù)后隨訪3年定性組織學(xué)評(píng)分和膝關(guān)節(jié)Lysholm評(píng)分均有所改善[18]。

4 外周血間充質(zhì)干細(xì)胞(PBMSCs)

PBMSCs一直頗受爭(zhēng)議，直到2000年Zvaifler才從外周血中分離出非造血干細(xì)胞PBMSCs，但現(xiàn)有的分離方法分離效率較低[19]。單層培養(yǎng)環(huán)境中，在添加TGF-β3的情況下PBMSCs會(huì)形成軟骨樣細(xì)胞并分泌Ⅱ型膠原，其產(chǎn)生蛋白聚糖的濃度與BMSCs相似，但仍然低于軟骨細(xì)胞。Frisch等[20]借助重組相關(guān)腺病毒載體感染PBMSCs，以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期高表達(dá)TGF-β，結(jié)果顯示其增殖和成軟骨分化能力均明顯增強(qiáng)。有研究將新西蘭兔同種異體PBMSCs直接原位注射到兔液氮冷凍股骨頭壞死模型關(guān)節(jié)腔內(nèi)，結(jié)果顯示治療8周開始出現(xiàn)較多的新生骨小梁和骨髓組織，修復(fù)效果顯著[21]。在臨床上，軟骨缺損患者需首先行軟骨下鉆探手術(shù)，術(shù)后1周獲取自體PBMSCs，將其混合透明質(zhì)酸注射至關(guān)節(jié)腔，1周內(nèi)重復(fù)注射4次，共5次，二次鏡檢結(jié)果顯示機(jī)體新生成的透明軟骨與天然軟骨整合良好[22]。

5 人羊膜間充質(zhì)干細(xì)胞(hAMSCs)

羊膜來(lái)源于胚胎早期產(chǎn)物，具有較低的免疫原性，屬于醫(yī)療廢棄物，無(wú)倫理道德問(wèn)題約束。hAMSCs取材方便、來(lái)源廣泛，還具旁分泌和自分泌功能，可分泌免疫抑制因子、神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子等多種生物活性因子。hAMSCs衍生自胚胎發(fā)育過(guò)程中的中胚葉和外胚層，分布在羊膜上皮單層下面的膠原基質(zhì)中，但有關(guān)hAMSCs成軟骨分化及其治療骨性關(guān)節(jié)炎、軟骨缺損的報(bào)道較少。Wei等[23]的體外研究結(jié)果顯示，在含有重組人骨形態(tài)發(fā)生蛋白2(rHuBMP-2)的情況下，hAMSCs培養(yǎng)2周即可檢測(cè)到成軟骨相關(guān)蛋白表達(dá)；其將hAMSCs植入含有rHuBMP-2的細(xì)胞擴(kuò)散室后，共同移植入大鼠軟骨缺損模型，結(jié)果顯示移植5周后可觀察到軟骨細(xì)胞形成并存在Ⅱ型膠原沉積。

6 其他來(lái)源的MSCs

MSCs也能從骨膜、小梁骨、臍帶血、羊水和骨骼肌中分離得到。在TGF-β存在的條件下，骨膜祖MSCs和臍帶血MSCs均可誘導(dǎo)分化成軟骨細(xì)胞譜系[24]。骨膜MSCs已經(jīng)成功應(yīng)用于修復(fù)體內(nèi)軟骨缺損模型，骨膜MSCs在傳代過(guò)程中表型穩(wěn)定且增殖能力強(qiáng)，但受限于供體，可獲得性較低。臍帶血與骨髓或脂肪組織相比，分離效率低但增殖效率高。李興福等[25]使用人臍帶血MSCs與人關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞直接共培養(yǎng)，結(jié)果顯示在其細(xì)胞比例為5∶1時(shí)，具有誘導(dǎo)效率高、成本低、避免軟骨細(xì)胞發(fā)生去分化、可穩(wěn)定保持軟骨表型等優(yōu)點(diǎn)。在缺氧環(huán)境下，培養(yǎng)人臍帶血MSCs向軟骨細(xì)胞分化可避免軟骨肥大的發(fā)生[26]。肌肉中獲取的MSCs類似于BMSCs，分化能力強(qiáng)，但其依賴于供體性別，男性肌肉來(lái)源的MSCs具有更高的軟骨形成分化和軟骨再生潛力。有研究表明，經(jīng)過(guò)基因修飾的MSCs能提高組織修復(fù)能力，如使用BMP-2重組腺相關(guān)病毒感染小鼠BMSCs，同時(shí)使用小鼠α4整合素質(zhì)粒瞬時(shí)轉(zhuǎn)染，可顯著提高細(xì)胞歸巢能力，明顯改善卵巢切除小鼠的骨骼生長(zhǎng)[27]。

綜上所述，MSCs移植修復(fù)骨性關(guān)節(jié)炎及軟骨缺損擁有廣泛的應(yīng)用前景，并已逐漸用于局灶性缺陷和廣泛性骨性關(guān)節(jié)炎的臨床治療。但是臨床上仍存在許多亟待解決的問(wèn)題：①安全性。MSCs來(lái)源廣泛，有些MSCs注射后機(jī)體會(huì)發(fā)生輕度不良反應(yīng)，最嚴(yán)重的是長(zhǎng)期培養(yǎng)的MSCs可能會(huì)促進(jìn)腫瘤生長(zhǎng)和轉(zhuǎn)移。②有效性。這一問(wèn)題既涉及到種子細(xì)胞來(lái)源，同時(shí)又與治療方案(移植數(shù)量、移植方式、移植途徑等)、受體治療窗口期(治療時(shí)機(jī))以及適應(yīng)證等密切相關(guān)，尚需加強(qiáng)基礎(chǔ)研究。③可控性。目前干細(xì)胞移植的臨床研究不足，尚未建立可操作的技術(shù)體系，加之各大醫(yī)院治療水平問(wèn)題，導(dǎo)致干細(xì)胞臨床應(yīng)用問(wèn)題較多。

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