富血小板血漿注射治療在膝骨關節炎中的應用進展

邢亨特, 邱波

武漢大學人民醫院骨科， 武漢 430060

骨關節炎是一種涉及關節損傷的退行性疾病，其病理特征包括滑膜病變、骨質增生、軟骨退變和軟骨下骨硬化等，最常累及膝關節，導致關節結構的進行性破壞。臨床上以疼痛、腫脹、功能障礙為主要臨床表現[1]。目前治療KOA的藥物，包括非甾體抗炎藥、葡萄糖胺、硫酸軟骨素、透明質酸(hyaluronic acid，HA)以及皮質類固醇激素(corticosteroids，CS)等，但這些藥物的主要作用是緩解疼痛癥狀，不能控制病情，并且由于關節軟骨自身再生恢復能力差，多數患者最終會發展至KOA晚期，需要手術治療[2]。富血小板血漿(platelet-rich plasma，PRP)作為一種新型生物制劑，因其含有大量活性生長因子，并且能刺激細胞增殖分化，促進組織修復，已在骨骼、軟骨和軟組織疾病中廣泛使用，現在更多地用于骨關節疾病，如骨關節炎、股骨頭壞死以及軟骨損傷[3-4]。

1 富血小板血漿(PRP)的概況

1.1 來源及生物活性

PRP是通過離心法從自體外周血中分離出來的血小板濃縮物(通常認為PRP的血小板含量是正常人血漿血小板含量的3～4倍以上)[5]。PRP含有豐富的生長因子和炎癥調節因子，這些因子具有促進軟骨細胞增殖、修復、促進Ⅱ型膠原和蛋白多糖生成、抑制炎癥反應、抑制NLRP3/IL-1β通路和減少軟骨細胞凋亡等作用[6-8]，并且沒有免疫排斥反應，安全性高。

1.2 主要成分

血小板(platelet，Plt)是PRP的主要成分，其胞質中的α顆粒可以分泌一系列重要的生長因子，如轉化生長因子(transforming growth factor-β，TGF-β)、血小板衍生生長因子(platelet-derived growth factor, PDGF)、血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor, VEGF)、表皮生長因子(epidermal growth factor, EGF)、胰島素樣生長因子(insulin-like growth factor-1，IGF-1)、骨形成蛋白(bone morphogenetic protein, BMP)等。TGF-β能夠激活活化素受體樣激酶(activin-receptor-like kinases-5，ALK-5)，通過Smad信號通路調節軟骨終末分化，具有促進軟骨細胞增殖以及分化的作用，誘導骨髓間充質干細胞(bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs)分化為軟骨細胞，調節其他生長因子增殖，還可以抑制一些炎癥因子的表達。PDGF可以促進成骨細胞增殖、趨化并增加膠原蛋白合成能力，刺激成纖維細胞增殖、趨化[9]；VEGF可以影響血管結構的再生和形成；EGF可以刺激內皮細胞增殖分化；IGF-1可以促進軟骨細胞增殖和細胞外基質形成；BMP通過維持轉錄因子Sox9的表達來促進軟骨細胞、成骨細胞的增殖、生長和分化。這些生長因子和血小板內存在的其他血漿蛋白共同作用，能夠干擾各種炎癥反應，刺激BMSCs增殖、遷移、向軟骨細胞分化和基質合成，調節血管生成，促進內源性HA生成，提供利于軟骨細胞增殖和軟骨修復的三維環境[10]。

2 關節腔內注射PRP

2.1 基礎理論及作用機制

大量研究證明PRP內所富含的多種生長因子具有能誘導BMSCs分化為軟骨細胞，促進軟骨細胞、成骨細胞增殖，調節生長因子表達，抑制炎癥等作用，有修復軟骨損傷和延緩KOA病情的可能。

2.1.1軟骨的修復機制 有學者用PRP關節腔內注射治療KOA，取得了顯著的臨床療效。邱皓等[11]的動物實驗表明關節腔內注射PRP可以促進Ⅱ型膠原合成，抑制基質金屬蛋白酶13(matrix metalloproteinase，MMP-13)的表達從而抑制軟骨基質的降解；同時，實驗對象經PRP注射治療后的第2、4、6、8、10周的組織學觀察顯示，受損部位的軟骨和滑膜組織情況逐步好轉，并且在第10周時均接近它們的正常形態，軟骨組織Mankin評分也隨治療時間的推移逐步降低。這些均提示了PRP有促進軟骨基質合成和軟骨組織修復的作用。

2.1.2減輕關節內炎癥反應機制 關節內促進組織修復和改善炎性環境是治療KOA病的兩個關鍵因素。其中，關節內的炎性環境對其治療更為關鍵。炎性因子會破壞內環境的穩態，并增加組織修復的難度。因此，PRP的炎性調節作用能影響OA病情發展。根據研究顯示，PRP中生長因子如IGF-1和PDGF通過抑制NFκB信號通路來抑制成纖維細胞和軟骨細胞的激活，降低腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)和白介素(interleukin-1β，IL-1β)的合成，從而阻斷滑膜和關節軟骨的炎癥反應[12]。同時，PRP通過降低滑液中炎性因子的濃度也有助于BMSC的遷移。這說明PRP可能通過抑制TNF-α和IL-1β的水平來減輕炎癥反應，并且提供利于組織修復的內環境。

2.2 關節內注射臨床應用

目前對于關節內注射PRP的療效研究主要集中在與關節內注射其他藥物的療效對比。以往KOA的關節內注射治療常用藥物有CS和HA。生理鹽水常用作安慰劑而無明顯臨床療效；頻繁使用CS可造成骨質疏松、軟骨營養失衡和軟骨磨損加重等不良影響，長此以往，弊大于利。故臨床上常使用HA關節腔內注射達到潤滑膝關節、減輕疼痛癥狀的目的，但也不能有效延緩關節軟骨退變。而PRP關節內注射既能減輕癥狀，又能促進軟骨組織修復，延緩病情進展。

2.2.1關節內注射CS治療KOA Elksnins-Finogejevs等[13]將40例有癥狀的KOA患者(K&L Ⅱ～Ⅲ級)隨機分為PRP組(20人)和CS組(20人)，PRP組關節內注射PRP，CS組關節內注射曲安奈德。分別于治療前、治療后1、5、15、30 d及治療后1年，用視覺模擬評分法(visual analogue scale, VAS)、國際膝關節文獻編制委員會膝關節評估表(international knee documentation, IKDC)和膝關節評分法(knee society score，KSS)評定膝關節疼痛程度和功能。結果顯示,單次PRP或CS關節內注射是安全的，可以改善輕中度KOA患者的短期疼痛評分和膝關節功能(PRP組和CS組之間沒有顯著差異)。但在之后隨訪中，PRP組患者的受益持續時間長達30周，而CS組患者在治療后第5周出現惡化的趨勢。

已有研究顯示，關節內注射PRP可以在短時間內減輕疼痛，效果類似于CS。而長期來看，PRP可以帶來更有效的止痛效果以及更好的功能恢復，是CS不可能帶來的療效。更可能是PRP富含的生長因子的作用。

2.2.2注射HA治療KOA Wu等[4]通過Mate分析發現膝關節損傷和骨關節炎結果評分(knee osteoarthritis outcome score， KOOS)在PRP和HA組之間沒有顯著差異，而PRP在IKDC評分、骨關節炎評分指數(Western Ontario and MacMaster Universities Osteoarthritis Index, WOMAC)和VAS評分方面優于HA。Cerza等[14]在隨機對照試驗中，將120名患者隨機分為試驗組(PRP組，共60人)和對照組(低分子量HA組，共60人)，每隔1周接受一次關節內注射，共接受4次，隨訪24周后發現PRP組臨床效果明顯優于對照組，WOMAC評分更低。Filadro等[15]對3組患者分別進行了PRP注射、低分子量HA注射和高分子量HA注射治療，也顯示PRP療效優于HA。可見在緩解疼痛癥狀、改善關節功能等方面，自體PRP注射比HA注射治療KOA具有更良好、更持久的療效。

2.3 療效影響相關因素

研究發現單次給藥PRP就能改善低級別的KOA患者的疼痛，與3次或更多次的HA注射相比，在改善癥狀和生活質量上，單次注射PRP更具有優勢[16]。Simental-Mendía等[17]對35例臨床診斷為Ⅰ級和Ⅱ級骨關節炎(參照K&L分級)患者，隨機分為兩組：PRP單次應用組(18例)和PRP三聯應用組(17例)在治療后6、12、24、36和48周對兩組進行評估，結果顯示兩種治療方法均可顯著降低VAS、總WOMAC評分。而在組間比較最終結果時，三聯療法有更好的改善效果，整體臨床結果更佳。提示PRP不同注射方案可影響其療效。同時患者的年齡、性別、BMI和關節退行性改變的程度等多種因素也能影響療效，如多次注射PRP可以為低BMI和較輕程度退行性變化的患者提供更多益處[18]。

雖然在KOA患者關節內注射PRP的治療指南以及患者的遠期預后方面研究者尚未達成共識，但大量的現存研究顯示關節腔內PRP注射療法對KOA有明顯療效。

3 軟骨下骨注射PRP

3.1 軟骨下骨作為治療OA靶點的重要作用

軟骨下骨即鈣化軟骨遠端的骨性成分，位于關節軟骨礦化區的下方，與軟骨形成關節軟骨-軟骨下骨復合單元。軟骨下骨和肌肉、肌腱等其他關節周圍組織共同減輕軟骨所承受的負荷[19]。雖然鈣化的軟骨和皮質板是無孔隙結構，但研究顯示了血管和通道是如何從軟骨下骨到達軟骨的，證明了關節軟骨-軟骨下骨之間的溝通存在。血管和通道的存在使得營養物質以及參與關節穩態的生長因子可以經軟骨下骨轉運到達軟骨，發揮生物作用[20]。

KOA病理改變常為滑膜炎性病變和軟骨下骨硬化，二者均會加速關節軟骨的退變，并且彼此相互影響，形成惡性循環，最終使關節喪失功能[21]。因此我們有必要將軟骨下骨認為是KOA眾多發病機制和病理過程的基本因素之一，軟骨下骨骨內注射PRP治療，以軟骨下骨為靶點，作用于軟骨下骨、關節軟骨以及滑膜，擴大了PRP的作用范圍，研究認為可以將其用于治療嚴重的退行性病變[22]。在KOA患者的關節中，上述的關節軟骨與軟骨下骨之間存在的血管和通道更為豐富。同時，關節內各組織間的穩態破壞會釋放大量生長因子和炎癥調節因子以恢復穩態，但由于組織間的交流和協同效應可能不再適合，反而會給機體帶來不利影響。

KOA患者的關節內環境穩態破壞以及一些生長因子過度表達，如神經生長因子、TGF-β、VEGF等，這些因子在關節腔內以及軟骨下骨之間彌散，破壞骨重塑過程，促進軟骨降解，以及促進血管生成和交感神經的生長[23-24]。Li等[25]的研究表明在用含有適當濃度的TGF-β1的特殊軟骨誘導體系的培養條件下，使BMSCs可以轉化為軟骨細胞，并且與正常軟骨細胞無明顯差異，同時能夠合成Ⅱ型膠原和蛋白多糖。而細胞外基質中Ⅱ型膠原和蛋白多糖的降解，往往是導致關節軟骨丟失并最終導致KOA的一個典型特征[26]。Tang等[27]研究發現，骨骼疾病如Camurati-Engelmann病即進展性骨干發育不良，會干擾骨重塑過程，并且動物研究表明高水平TGF-β可分泌大量成骨細胞，在骨吸收過程中TGF-β1通過SMAD信號通路誘導BMSCs遷移到骨吸收部位來協調骨形成，刺激增殖。但過表達的 TGF-β會釋放過多的成骨細胞吸引BMSCs遠離骨吸收點，使得骨吸收部位的BMSCs的可用性有限，因此在骨重塑期，破骨細胞持續作用，卻沒有伴隨骨形成。可見OA患者軟骨下骨中過表達的TGB-β會改變BMSCs的行為，擾亂骨重塑的過程。而在一般情況下，PRP可以調節OA患者軟骨下骨中TGF-β的異常表達。

因此，我們的治療不能僅針對關節軟骨和滑膜，更應該將軟骨下骨作為治療OA的靶點，從而獲得更好的臨床效益。

3.2 PRP在軟骨下骨注射中的基礎理論及作用機制

軟骨下骨內PRP注射，首先作用于軟骨下骨，進而作用于關節軟骨-軟骨下骨復合體。有學者認為，關節內注射PRP只對輕度OA的患者有效，對于那些嚴重的OA患者沒有明顯效果，而軟骨下骨內注射PRP對于嚴重的OA也有效。PRP直接浸潤到軟骨下骨，作用于該組織以及BMSCs，將這些細胞維持在PRP基質之中，并調節軟骨下骨的修復過程，調節炎性環境，可以延遲KOA的病情進展，甚至可能對阻止KOA的進展有直接影響[28]。這種注射方式擴大了PRP的作用范圍，使PRP發揮更廣泛的作用，獲得更好的效用。

3.2.1促進組織修復 Shen等[29]研究發現抑制軟骨中的TGF-β表達會上調Runx2基因、MMP-13等因子的表達，MMP-13可以降解Ⅰ型、Ⅱ型膠原以及蛋白聚糖等多種底物，導致軟骨退變，暴露軟骨下骨。軟骨下骨中成骨細胞在應力刺激下激活外信號調節蛋白激酶(ERK)信號通路，進一步表達MMP-13、IL-6從而促進軟骨退變；同時，促進ERK信號通路后，可抑制p38信號通路介導的軟骨細胞肥大與鈣化，影響組織修復[30]。PRP內富含大量的TGF-β，可促進軟骨細胞增殖以及分化，調節疾病相關基因和蛋白的表達，促進組織修復；同時PRP的調節作用有利于恢復和保持關節內環境的穩態，可以減少由于TGF-β過表達而導致的BMSCs行為異常，協調軟骨下骨的骨重塑過程，對關節軟骨-軟骨下骨復合體之間血管和通道的生長也有利；此外，關節內穩態也可以避免或減少不受控制的組織纖維化或血管生成，而這又對停止或減緩病理進展具有關鍵作用。

3.2.2調節炎癥 與關節腔內環境相似，在軟骨下骨內注射PRP同樣能夠抑制軟骨細胞、成骨細胞中的NF-κB信號通路，減少TNF-α和IL-1β的合成，從而阻斷炎癥反應，保護細胞和組織。此外，PRP中大量的內源性大麻素也可能作用于OA患者軟骨細胞和滑膜細胞中大麻素受體1和2的配體，通過靶向內源性大麻素系統來減輕疼痛和炎癥[31]。同時，體內研究顯示PRP骨內浸潤可以恢復衰老BMSCs的細胞潛能，增強其成骨能力，抑制氧化應激。軟骨下骨內注射的PRP，直接對軟骨下骨細胞產生積極的刺激作用。并且，因為軟骨下骨和關節軟骨之間存在相互交通，軟骨下骨內注射PRP的療效也會影響到關節軟骨[21]。

3.3 軟骨下骨注射的臨床應用情況

雖然學術界尚未對PRP標準化治療達成共識，軟骨下骨注射PRP治療KOA的臨床研究更是處于起步階段。但是隨著軟骨下骨在OA病情發展中的認識不斷深入，以及對PRP在軟骨下骨環境中的作用的深入研究，使得這種治療方式成為研究熱點。

3.3.1軟骨下骨內注射PRP 軟骨病變通常伴有軟骨下骨改變或骨髓病變(bone marrow lesions, BMLs)，與關節退變和軟骨病變相關的BMLs被認為是快速進展的OA的預測因子[32]。BMLs與OA的惡化以及患者疼痛的加重密切相關，雖然BMLs的確切發病機制尚不清楚，但軟骨破壞產物引起的炎性反應導致軟骨下骨髓炎微環境改變以及生物力學改變相關的微創性改變，可能有助于BMLs的形成[33]。Lychagin等[32]研究共納入17例KOA患者(以K&L Ⅲ級為主)，對OA伴有BMLs的患者的患肢中骨內注射PRP隨訪一年后，研究數據顯示基于VAS評分的疼痛明顯減輕，患者的WOMAC評分和KOOS總分中也觀察到明顯改善；同時，與健康對照組相比較，實驗組患者的血清軟骨低聚基質蛋白(cartilage oligomeric matrix protein，COMP)水平最初有所升高，并在術后1～3個月內持續升高，在6個月和12個月時與3個月時相似。研究者認為注射PRP可以引起首次COMP合成增加，但這次研究并不足以將COMP的增加解釋為骨軟骨變性增加。同時，該實驗短期的隨訪顯示，患者的生活質量改善，疼痛減輕以及基本的MRI改變，研究人員后續仍在長期觀察這些隊列的患者并結合MRI圖像做出分析。證明軟骨下骨注射PRP治療KOA是確有其效的。

3.3.2關節內聯合軟骨下骨內注射PRP 除了單純關節內或單純軟骨下骨內注射PRP治療KOA的方法外，有研究將兩者相結合進行治療，并取得了良好的療效。蘇柯等[20]的研究對比了關節內聯合軟骨下骨內注射PRP和單純關節內注射PRP治療KOA(K&L分級Ⅱ～Ⅲ級)的臨床療效，兩組研究結果顯示這兩種療法均能減輕患者的疼痛感，改善患肢功能，但關節內聯合松質骨內注射PRP的方法治療的KOA患者療效更為顯著，連續隨訪12個月的結果，VAS評分、WOMAC評分均優于對照組。Mikel等[22]研究表明關節內聯合軟骨下骨內注射PRP可減輕疼痛以及減少滑膜液中的BMSCs，能夠顯著改善嚴重的KOA患者的膝關節功能。已有多項研究顯示OA的嚴重程度、關節損傷和病程的延長都增加了BMSCs的積累[34-35]。研究顯示關節內聯合軟骨下骨內注射PRP能減少滑膜液中BMSCs的數量，而單純關節內注射PRP并不能減少[36]。已有研究證明PRP在軟骨下骨內發揮作用，對關節軟骨能產生更為持久的組織修復效用，提升了對KOA的療效。也對調節關節內炎性環境、恢復關節內環境穩態發揮了作用。

3.4 安全性評估

Sundaram等[37]對軟骨下骨骨內注射治療KOA的有效性和安全性做了一項系統回顧研究，評估KOA患者軟骨下骨骨內注射骨替代材料和/或生物制品的結果，共有163名患者納入其研究標準，隨訪期6～24個月，平均為18個月。總體研究數據顯示VAS疼痛評分、KOOS、Tegner-Lysholm和/或IKDC評分都比基線評分有所改善。并且大多數患者在隨訪1年時仍無全膝關節置換術。雖然數據表明軟骨下骨內注射PRP較為安全，但該項研究的這些患者的治療實施和結果測量都存在高度異質性，存在很高的偏倚風險，后續仍需大量更完整的研究來證明PRP的安全性。可見軟骨下骨注射骨替代材料和/或PRP有以下優勢：①患者疼痛癥狀和功能有明顯改善；②短期內關節置換率相對較低；③目前未見明顯并發癥發生。

4 展望

對于KOA患者來說，目前除了膝關節置換術外，尚無根治的辦法，然而膝關節置換術對于年輕患者來說并不是一個理想的治療選擇，二次手術不可避免。PRP是從自體外周血中提取的富含多種生長因子和生物活性分子的物質，因其對于關節結構和功能的修復有著顯著的積極作用，如能夠顯著改善癥狀以及不良反應少等，近年來成為治療KOA的研究熱點，并且已在肌腱損傷、軟骨病變等方面表現出較好的療效，研究人員希望用這種生物治療的方式延緩甚至阻斷KOA的病情進展，取代KOA的手術治療。

目前PRP注射治療已經深入到軟骨下骨，作用于軟骨下骨、滑膜和軟骨，比單純關節內注射PRP作用范圍更廣泛，能夠更長時間地保留在軟骨下骨中持續發揮作用，達到延緩甚至阻斷KOA病情的目的。通過對比關節內聯合軟骨下骨內注射PRP和單純關節腔內注射PRP治療KOA的實驗數據和療效，可以看出PRP在軟骨下骨中發揮了獨特的生物效應，也證明了軟骨下骨內注射PRP治療KOA的有效性。但目前對KOA患者應用PRP療效的研究主要集中在關節內注射PRP與注射其他藥物對比，尚缺乏軟骨下骨內注射PRP治療KOA與其他藥物注射的療效對比，后續需要大量的相關實驗來完善研究，確定軟骨下骨注射PRP的適用人群和療效。

此外，本文綜述的研究對象大多都是K&L分級為Ⅱ、Ⅲ級的KOA患者，以后需要增加K&L Ⅳ級的KOA患者的對照實驗，探討PRP注射治療是否對重度KOA患者也有顯著療效。