間充質干細胞復合多孔鉭治療骨關節炎的研究進展

李思雨，劉凱楠，王思涵，李粵源，崔逸爽，王 茜

華北理工大學，河北唐山 063200 1公共衛生學院；2基礎醫學院；3臨床醫學院

骨關節炎(osteoarthritis，OA)是常見的進行性骨科疾病，累及身體多處部位，包括膝關節、腰椎、頸部、手部和髖關節等，其主要病理特征是軟骨損傷，伴有骨贅形成、關節間隙變窄和軟骨下硬化等，多發于中老年人群，嚴重降低患者的生活質量[1-2]。OA初期以保守治療為主，如理療[2]、藥物治療[3]和關節腔注射治療[4]等；晚期癥狀嚴重則需手術治療，如截骨術[5]和關節置換術[6]等。這些治療方法能暫時緩解癥狀，但無法徹底治愈，不能阻止軟骨進一步退化，且手術創傷大，具有一定風險性。如今，組織工程學已廣泛應用于關節軟骨缺損的修復，其包括使用種子細胞、生物相容性支架和適當的生物化學因子修復/替代器官或組織內特定受損空間的所有程序[7-10]。多數研究者已經確定間充質干細胞(mesenchyma stem cells，MSCs)作為種子細胞的優勢[11-12]。傳統的生物材料支架往往難以兼具生物相容性和機械性能。近年來金屬材料中的多孔鉭(porous tantalum，PT)因其優越的性能引起關注。本文就國內外使用間充質干細胞和(或)金屬材料PT治療OA的作用進行綜述，旨在引起人們對其潛在機制的探索，提高對軟骨缺損與修復的認識，為后期研究提供參考。

1 軟骨缺損修復的組織工程

近20年來，軟骨組織工程領域取得了重大進展，成為最有前途的軟骨組織重建治療策略。組織工程應用生物學和工程學原理，為受損組織或器官的再生提供了先進的治療方案，主要包括三大要素，即種子細胞、生物支架材料和生物化學因子。

1.1 種子細胞 組織工程學促進受損軟骨的修復和再生。種子細胞是軟骨組織工程所必需的，它決定著受損組織的功能再生程度。在軟骨組織工程中，種子細胞大多來源于軟骨細胞或多向分化潛能MSCs。

獲取軟骨組織具有很大的限制，常導致對患者的二次損傷，單一培養幾代之后，軟骨細胞多失去其自然表型并經歷退化，導致無效的修復。MSCs具有來源豐富、易于獲取和體外擴增迅速等其他細胞難以比擬的優勢，成為軟骨組織工程中首選的“種子細胞”。

早在1968年，Friedenstein等[13]在骨髓中發現了干細胞/前體細胞。在后續的研究中，Caplan[14]將這些細胞進一步命名為“mesenchymal stem cells”。目前MSCs已成為促進軟骨修復的研究熱點。多種基礎研究已表明OA與MSCs的功能退化和衰老有關。Krüger等[15]研究發現OA患者MSCs的增殖能力和分化潛能降低。?amernik等[16]發現原發性OA的病理多伴有MSCs衰竭。Markides等[17]研究表明，綿羊骨軟骨缺損模型中自體MSCs的歸巢能力有限。此外，針對MSCs治療OA的臨床研究也取得一定進展。Song等[18]收集了使用MSCs治療膝OA的臨床試驗(2019年4月之前)，包括隨機對照試驗、回顧性研究和隊列研究，對MSCs治療膝OA的有效性和安全性進行評估，結果顯示，與對照組相比，MSCs治療可以顯著降低視覺模擬評分以及安大略省西部大學和麥克馬斯特大學的OA指數評分。Emadedin等[19]通過一項隨機、三盲、安慰劑對照的隨機對照試驗證實了關節內植入自體骨髓間充質干細胞(bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs)治療膝骨性關節炎的安全性和有效性。提示MSCs已經應用于OA的治療，并顯示出良好的結果和巨大的應用前景。

MSCs可能通過以下機制修復或再生軟骨。1) MSCs多能分化潛能：MSCs能夠分化為中胚層譜系的細胞，包括成骨細胞、軟骨細胞和脂肪細胞等。多種細胞因子的添加和支架的共培養可以促進MSCs向軟骨細胞分化。TGF-β已成為誘導多種干細胞向軟骨細胞分化以及修復軟骨組織不可缺少的成分。Fang等[20]發現TGF-β可以促進Smad2的磷酸化及其核轉位，從而上調軟骨標志物SOX9、α-Acan和Ⅱ型膠原的轉錄和翻譯。Frisch等[21]使MSCs高表達TGF-β，結果顯示軟骨形成標志物(如SOX9和Ⅱ型膠原)的表達升高，再次證實TGF-β促進MSCs的軟骨向分化。2)MSCs歸巢作用：MSCs歸巢是治療OA的重要環節，其過程可以歸納為MSCs在組織的血管系統內停滯，隨后跨內皮細胞遷移[22]。這一過程是極其復雜的，黏附分子、趨化因子受體和金屬蛋白酶分子類別的酶的表達和功能對于MSCs從外周血運輸到特定的靶器官是必不可少的[23]。體外擴增培養的MSCs可高表達某些介導歸巢的細胞黏附分子(如α4、α5和α1整合素等)，低水平表達或缺失其他相關的黏附和趨化因子受體(如PSGL-1和CXCR4)[24]。3)MSCs的免疫學作用：首先，MSCs具有低免疫原性和較低的抗原提呈能力[23,25-26]；其次，MSCs能夠對多種免疫細胞起調節作用，直接抑制T細胞的激活或增殖并誘導T細胞的凋亡，影響抗原提呈細胞的分化、成熟和功能，從而使其轉化為抑制性或耐受性表型[27]。此外，MSCs的主要潛力在于旁分泌功能，可通過分泌細胞因子間接介導免疫細胞，包括免疫調節因子、抗炎因子和趨化因子，進而發揮免疫調節作用[28-30]。目前MSCs的免疫抑制作用已得到證實，并取得了一定的臨床治療效果，但MSCs的免疫調節作用受諸多因素的影響，如何調控MSCs的免疫調節仍然需要進一步研究。

1.2 生物材料支架 “種子細胞”活性對功能性軟骨組織的再生起著關鍵作用。然而，在沒有合適支架的情況下加工處理種子細胞MSCs過程中往往會出現肥大、退化等不良變化，阻礙軟骨組織工程的發展。目前常見的骨軟骨生物支架材料包括天然生物材料支架和人工合成材料支架等。天然生物支架材料主要包括膠原、透明質酸、海藻酸鹽和富含血小板的纖維蛋白等[31-32]。當海藻酸鹽微球和透明質酸水凝膠結合時，可作為MSCs和轉化生長因子的復合載體，并保持其在支架中的生物活性，促進MSCs的軟骨形成[33]。人工合成支架材料主要包括磷酸三鈣、聚乳酸(polylactic acid，PLA)、聚羥基乙酸(polyglycolic acid，PGA)等[34]。Han等[35]在兔體內植入軟骨源性MSCs/PLAPGA復合物支架復合材料12周后，膝關節骨軟骨缺損處成功再生透明樣軟骨，其組織學和力學特性與正常軟骨類似，組織學檢查顯示界面愈合良好，軟骨下骨附著良好。雖然天然支架材料具有良好的生物相容性，但機械性能卻較差；人工合成支架材料則存在生物相容性欠佳等問題。

金屬材料是骨科最早采用的生物材料，廣泛適用于關節系統的修復。金屬本身并不具備一定的生物功能，但可以通過對金屬表面進行化學改性或用其他生物功能材料包覆來制備基于金屬的生物功能材料[36]。PT是一種難熔金屬，具有很高的導熱性和導電性，孔隙率為75%～85%，與人類骨松質的孔隙率一致，其保護性氧化物表面使其具有高度耐腐蝕性，并且在動物和人體中具有很高的生物相容性和生物活性，是一種理想的醫用生物材料[37-38]。值得注意的是，PT的高度耐腐蝕性對置入物的壽命有重要意義，避免了在人體載荷和運動模式下，置入物與軟骨接觸面發生摩擦腐蝕導致的置入物松動，同時也避免了摩擦腐蝕時釋放的金屬離子對機體造成嚴重傷害。此外，PT良好的彈性模量對載荷應力均勻分布到鄰近骨組織、減小應力屏蔽效應、顯著減少或消除骨丟失具有重要意義[39]。正是因為這些特性，PT可廣泛應用于再生醫學和骨軟骨組織工程。Piglionico等[40]研究結果表明PT可以促進MSCs進一步黏附、分化和擴散，證明PT的生物相容性。尉曉蔚等[41]研究發現置入膠原膜/國產PT金屬雙相支架16周后，幾乎半個股骨頭的骨軟骨缺損修復成功。張輝等[42]研究表明PT復合骨形態發生蛋白7對軟骨及軟骨下骨缺損的修復有良好作用。Mardones等[43]研發了一種類似于骨軟骨塞的兔骨膜/PT復合材料，在軟骨基質中培養6周后，骨膜纖維層牢固附著在PT支架上，形成層背向鉭層，并形成透明狀軟骨組織。Wang等[44]將骨形態發生蛋白7/PT復合材料置入兔骨軟骨缺損區，發現PT與宿主骨界面上出現新的軟骨和骨細胞并逐漸增多，新形成的骨小梁開始長入孔隙中，骨組織逐漸與PT結合，缺損區在16周內恢復。Kamal等[45]將以纖維蛋白為軟骨細胞載體的PT支架置入小鼠背部，發現該支架可促進軟骨細胞增殖和軟骨組織形成，具有治療軟骨缺損的潛力。以上均提示PT可以很好地應用于骨軟骨組織工程中，這種疏松多孔的結構有利于組織細胞的生長增殖，對細菌有較低的黏附力，已經應用于臨床并取得良好的效果，根據患者不同的要求，其所需的物理特性往往不同，可進行適當調整[46]。

2 MSCs復合PT在軟骨組織工程中的應用

多數研究者采用MSCs與PT復合培養修復軟骨缺損。Blanco等[10]研究表明PT復合培養MSCs可提高細胞活力，并且保留了它們的免疫表型和分化模式，同時能夠輸送MSCs，而不會導致分化能力的喪失，這將支持這種組合應用于臨床研究，特別是脊柱融合程序和重建技術研究。Smith等[47]研究表明一定條件下MSCs在PT中具有良好的黏附和增殖能力，在共聚焦和掃描電鏡下可以看到細胞穿透深度超過5 mm，表明這種大孔三維結構適合于細胞增殖，力學測試證實，在PT中加入MSCs顯著增強了其界面強度，并與培養樣品中大量產生細胞外基質的情況一致。總之，PT對MSCs正常的生理功能無抑制作用，并在一定程度上促進細胞的生長、增殖和黏附，提示MSCs與PT的相互作用結果良好。此外，多數研究者發現PT復合MSCs培養對軟骨缺損的修復有明顯的促進作用。崔逸爽等[48]研究發現BMSCs與PT體外復合培養后可正常生長、增殖，證實PT無細胞毒性，有良好的生物相容性；與單純軟骨誘導組相比，添加PT支架的BMSCs軟骨分化程度增加。Liu等[49]將PT復合Bio-Gide膠原膜與MSCs體外共培養，置入缺損區修復全層關節缺損，術后12周，缺損邊緣附近的PT上可見新的軟骨組織的形成，這種組織具有高質量的成分和結構，其質量與天然透明軟骨相似。Wei等[50]研究證實PT可促進BMSCs的黏附和生長，并構建山羊骨軟骨缺損模型，置入BMSCs負載的PT復合仿生三維膠原支架，16周后成功修復近一半股骨頭的骨軟骨缺損。大多數研究集中于純鉭或鉭合金置入物上，這些置入物價格昂貴且來源稀少，不利于廣泛應用，采取將鉭涂層等離子噴涂到其他金屬表面上的策略，可以提高金屬置入物的生物相容性。Wang等[51]利用鉭涂層多孔鈦支架與兔BMSCs復合構建組織工程化人造椎體，結果表明，與單獨多孔鈦支架相比，在鉭涂層支架表面，BMSCs偽足與支架結合更緊密，具有更好的增殖能力和成骨效果，并且更好地促進了兔腰椎缺損的修復。或許鉭涂層金屬材料的復合支架會為軟骨組織工程提供一個新的研究思路。

3 結語

一個相對較新的領域——軟骨組織工程已經取得一定的進展。目前國際多數研究結果認可MSCs為組織工程中最佳的種子細胞，但尚無統一認可的生物支架材料。PT與MSCs的復合培養通過修復軟骨缺損治療OA的方法已經展示出研究價值，但PT促進MSCs修復軟骨缺損的具體機制仍未明確，多數實驗仍處于動物或體外實驗階段，未來還需要進一步的實驗研究。此外，由于PT較稀少且昂貴，未來的研究需要尋找便捷簡易的制備方法，保證積極的生物效應，同時應用表面修飾技術對PT的性能進行優化，包括誘導細胞分化、細胞黏附、細胞增殖及組織形成能力。