骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞用于股骨頭壞死治療的研究進(jìn)展

黃 峰，毛瑞君，叢永健

股骨頭壞死是由多種因素引起的股骨頭血液供應(yīng)破壞或骨細(xì)胞變性導(dǎo)致以骨小梁和骨髓壞死為特征的臨床常見病，一般認(rèn)為其發(fā)病機(jī)制與脂肪栓塞、血管內(nèi)凝血、髓內(nèi)高壓和骨細(xì)胞脂肪性壞死有關(guān)。近年來，隨著對骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（bone marrow mesenchymal stem cells，MSCs）成骨作用認(rèn)識的深入了解，為股骨頭壞死的治療提供了一種新的選擇。本文就MSCs用于治療股骨頭壞死的研究和應(yīng)用概述如下。

1 股骨頭壞死的病因病機(jī)

1.1 病因 關(guān)于股骨頭壞死的病因有眾多學(xué)說，主要包括：創(chuàng)傷學(xué)說、脂類代謝紊亂學(xué)說、血管內(nèi)凝血學(xué)說、骨內(nèi)壓增高學(xué)說、二次碰撞學(xué)說等。

使用激素是股骨頭壞死最常見的原因之一，但應(yīng)用多大劑量、持續(xù)多長時間能構(gòu)成骨壞死的威脅尚存在爭議，且與個人體質(zhì)密切相關(guān)。長期大劑量服用激素可導(dǎo)致基因突變使血液處于高凝低纖溶狀態(tài)，高凝低纖溶介導(dǎo)股骨頭靜脈內(nèi)血栓形成，導(dǎo)致骨內(nèi)靜脈壓增高、淤滯、引起動脈血流受損，造成骨細(xì)胞缺血、缺氧、壞死，使骨組織結(jié)構(gòu)和功能破壞,最終引起股骨頭缺血壞死[1]。Parsons等[2]報道接受大劑量激素治療的患者中只有5%~10%發(fā)展為股骨頭缺血壞死，可見并不是所有使用大劑量激素的患者都會發(fā)生股骨頭缺血壞死，其原因可能是個體對激素的敏感性不同。

酒精是導(dǎo)致股骨頭壞死的另一個重要原因。Hirota等[3]對比了118例非激素性骨壞死患者和236名健康對照者，發(fā)現(xiàn)偶爾飲酒者（飲酒量<8m l/周）和規(guī)律飲酒者中（飲酒量≥8m l/d）骨壞死發(fā)生的風(fēng)險顯著高于對照組；同時也發(fā)現(xiàn)酒精與骨壞死具有顯著的劑量效應(yīng)關(guān)系。酒精代謝產(chǎn)物的毒性作用可以降低過氧化物歧化酶活性，使自由基生成增多，而自由基具有強烈的脂質(zhì)過氧化作用，損傷細(xì)胞膜和細(xì)胞器，導(dǎo)致血管內(nèi)皮細(xì)胞損傷，通透性改變，誘發(fā)微循環(huán)障礙。同時周圍脂質(zhì)的增多也可聚成脂肪球，使股骨頭微循環(huán)發(fā)生脂肪栓塞，導(dǎo)致股骨頭壞死。

股骨頭的血供比較貧乏，且容易受到傷害，從而容易造成股骨頭缺血性壞死。研究表明股骨頸骨折占創(chuàng)傷性股骨頭壞死的87.18%，而中老年是股骨頸骨折的高發(fā)年齡[4]。創(chuàng)傷所致股骨頭壞死比例近年來有所降低，與創(chuàng)傷治療技術(shù)的提高有關(guān)。

1.2 病理機(jī)制 微循環(huán)障礙是股骨頭壞死的共同病理機(jī)制，無論原發(fā)性，還是繼發(fā)性股骨頭壞死，決定其病理演變的因素可概括為3個方面：即，病因；破骨細(xì)胞介導(dǎo)的骨吸收與骨的有效重建速率的平衡關(guān)系；生物力學(xué)作用。病因最終造成微循環(huán)損害，骨細(xì)胞、骨髓組織壞死、骨髓間充質(zhì)細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化能力下降，由于骨細(xì)胞及附于骨小梁表面的成骨細(xì)胞具有一定的屏障破骨細(xì)胞活動作用[5]。股骨頭壞死開始時，破骨細(xì)胞對骨小梁吸收增強，骨小梁因而變得稀疏細(xì)小。另一方面，因骨小梁中的骨細(xì)胞壞死失去了礦物代謝功能，其機(jī)械強度隨之下降，當(dāng)應(yīng)力傳導(dǎo)時，骨小梁極易骨折，骨壞死吸收同時伴隨修復(fù)，修復(fù)的強弱取決于供血狀態(tài)，通常在正常與壞死骨組織間出現(xiàn)一個修復(fù)區(qū)，該區(qū)骨的形成和吸收都較為活躍，如果吸收的骨不能由新生的骨有效替代，將發(fā)展成一軟化區(qū)，因此，骨的吸收速率及新生骨的有效重建速率應(yīng)保持一定的平衡關(guān)系，而這種關(guān)系最終由破骨細(xì)胞的活動、MSCs向成骨細(xì)胞分化的能力及成骨細(xì)胞的功能狀態(tài)決定[6]?？傊晒穷^壞死的特征是股骨頭缺血壞死隨之出現(xiàn)修復(fù)反應(yīng)進(jìn)而發(fā)生股骨頭塌陷及髖關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎。

2 MSCs

MSCs來源于胚胎發(fā)育期中胚層，存在于骨髓組織中，在一定條件下能夠分化成軟骨細(xì)胞、成骨細(xì)胞、成纖維細(xì)胞、脂肪細(xì)胞等；并且MSCs取材方便、對供體損傷小、易于分離培養(yǎng)、體外增殖能力強、傳代培養(yǎng)后仍具有成骨能力，這些優(yōu)點使其成為骨壞死修復(fù)理想的種子細(xì)胞。

2.1 MSCs的生物學(xué)特性 Bianco等[7]證實MSCs具有在體外培養(yǎng)容易貼壁生長、形成集落、分化成定向祖細(xì)胞并能大量擴(kuò)增的特點。MSCs具有干細(xì)胞的基本特性，能夠自我復(fù)制、自我更新并具有多向分化潛能[8]。由于它可以分化為骨髓基質(zhì)等多種間充質(zhì)組織，因此又被稱為基質(zhì)細(xì)胞或間充質(zhì)干細(xì)胞。其可分化成多種類型的結(jié)締組織細(xì)胞，如成骨細(xì)胞、成軟骨細(xì)胞、成肌細(xì)胞、成脂肪細(xì)胞、支持造血的基質(zhì)細(xì)胞，甚至可以分化成傳統(tǒng)認(rèn)為是終末細(xì)胞的心肌細(xì)胞和神經(jīng)細(xì)胞[9，10]。并且擴(kuò)增20~30代后仍保持其多向分化潛能。

2.2 MSCs的成骨特性 MSCs分化具有組織特異性，即MSCs所到達(dá)的組織微環(huán)境可誘導(dǎo)其定向分化[11]。骨髓中MSCs含量較少，但它能廣泛擴(kuò)增，如20m l骨髓抽吸液經(jīng)培養(yǎng)就能產(chǎn)生1013MSCs，接近成人身體細(xì)胞總數(shù)。MSCs具有向成骨分化的潛能，利用這一特性，將為骨壞死治療帶來契機(jī)。

祝聯(lián)等[3]應(yīng)用珊瑚及MSCs復(fù)合物修復(fù)骨缺損，術(shù)后股骨缺損處充填了大量新生骨組織，色澤紅潤，8個月時色澤變白，質(zhì)地堅硬，股骨無縮短，證明了MSCs能向成骨細(xì)胞轉(zhuǎn)化，具有活躍的成骨能力。MSCs具備向成骨分化的能力，但必須經(jīng)過一定的誘導(dǎo)才能更好的發(fā)揮其成骨的特性。Chang等[2]研究表明地塞米松、β-甘油磷酸鈉和維生素C是MSCs向成骨細(xì)胞分化和體外成骨的必要條件。黃開等[13]將成骨細(xì)胞與誘導(dǎo)劑(地塞米松、β-甘油磷酸鈉、抗壞血酸)一起加入培養(yǎng)基，結(jié)果表明成骨細(xì)胞能促進(jìn)MSCs的增殖和誘導(dǎo)MSCs向成骨分化。這些研究的發(fā)現(xiàn)將優(yōu)化誘導(dǎo)的條件，形成更穩(wěn)定的方法。

2.3 MSCs在治療股骨頭壞死中的臨床應(yīng)用

2.3.1 髓芯鉆孔減壓并MSCs注射移植治療股骨頭壞死隨著干細(xì)胞技術(shù)的發(fā)展，國外部分學(xué)者進(jìn)行了髓芯鉆孔減壓并MSCs注射移植治療早期股骨頭壞死的嘗試，獲得了滿意結(jié)果。

Gangji等[14]設(shè)立雙盲對照髓芯減壓和自體骨髓移植，13例18髖股骨頭壞死，為ARCOⅠ期或Ⅱ期，術(shù)后髓芯減壓組8髖中有5髖進(jìn)展到Ⅲ期，而自體骨髓移植組的10髖只有1髖變?yōu)棰笃?，證明干細(xì)胞對早期股骨頭壞死治療是安全有效的。Yanz等[15]在髓芯減壓的基礎(chǔ)上，經(jīng)減壓通道置入1根硬膜外導(dǎo)管，將自體MSCs注入，既能改善骨內(nèi)高壓、骨微循環(huán)障礙等病理狀態(tài)，又能提供股骨頭修復(fù)重建的種子細(xì)胞，為新骨生成、替代死骨創(chuàng)造良好的環(huán)境，并獲得了較好的臨床效果。Hernigou等[16]共治療股骨頭壞死116例189髖，隨訪5~10年，平均7年，結(jié)果塌陷前期（Ⅰ、Ⅱ期）145髖中有9髖進(jìn)行髖關(guān)節(jié)置換，塌陷后期（Ⅲ、Ⅳ期）的44髖中有25髖做全髖關(guān)節(jié)置換。結(jié)果顯示，移植的細(xì)胞數(shù)量越多，療效越好。徐軍等[17]應(yīng)用髖關(guān)節(jié)鏡及自體外周血BM-MSCs移植術(shù)，采用Harris髖關(guān)節(jié)評分評價優(yōu)良率達(dá)94.7%，所有患者疼痛消失，行走正常，髖關(guān)節(jié)活動范圍正常或接近正常，X線片示股骨頭輪廓清晰，囊性變消失。

2.3.2 MSCs動脈灌注治療股骨頭壞死 在股骨頭壞死病灶中血液供應(yīng)均遭到破壞，改善股骨頭血液供應(yīng)成為治療該病的關(guān)鍵。有作者利用MSCs灌注治療兔股骨頭壞死，治療后2、4周，X線表現(xiàn)骨質(zhì)密度改變明顯好轉(zhuǎn)，病理組織學(xué)表現(xiàn)空骨陷窩減少，成骨細(xì)胞增多，新骨形成，說明高選擇性股動脈灌注藥物治療股骨頭壞死能加速兔股骨頭壞死的再血管化和再骨化進(jìn)程[18]。楊曉鳳等[19]采用超選擇性股骨頭供血動脈干細(xì)胞移植術(shù)的方法治療股骨頭壞死患者63例，取得了較好的臨床效果。

2.3.3 聯(lián)合填充材料MSCs移植 聯(lián)合填充材料的目的在于通過在體外細(xì)胞或器官的生長，或?qū)⒓?xì)胞與載體相結(jié)合，從而促使組織再生和器官功能的恢復(fù)。MSCs可以作為一種良好的種子細(xì)胞。Sun等[20]使用納米晶膠原基骨復(fù)合材料作為支架材料，有降解與新骨生長匹配、接近自體骨框架以及可供成骨細(xì)胞貼附生長繁殖的優(yōu)點，同時具有較強的誘導(dǎo)成骨能力，適合MSCs粘附、生長、增殖和分化；并且有較強的組織相容性和適當(dāng)?shù)目山到庑?，能在降解過程中逐漸被新骨替代。孫偉等[21]在兔雙側(cè)股骨頭內(nèi)骨缺損區(qū)填充納米人工骨和MSCs的復(fù)合材料。術(shù)后4周即有明顯的成骨反應(yīng)和新骨形成，填充納米晶膠原基骨（nHAC）和MSCs的復(fù)合材料組骨小梁結(jié)構(gòu)形成，12周基本修復(fù)股骨頭的骨缺損區(qū)，說明nHAC有較強的傳導(dǎo)成骨作用，是修復(fù)兔股骨頭骨缺損的良好移植材料。付松等[22]用牛松質(zhì)骨復(fù)合MSCs植入治療兔股骨頭壞死的實驗研究表明，牛松質(zhì)骨具有較好的生物相容性，并有良好的骨傳導(dǎo)性和機(jī)械承受能力。局部聯(lián)合材料移植MSCs也是治療股骨頭壞死的一個方法，但尋求組織相容性高、不良反應(yīng)少、經(jīng)濟(jì)有效的材料依然值得研究。

3 MSCs移植存在的問題及展望

MSCs是目前臨床研究的熱點之一，在骨組織工程方面具有廣泛的應(yīng)用前景，但仍存在許多問題和不足，需進(jìn)一步研究。如：①不同病因?qū)е碌墓晒穷^壞死的MSCs向成骨分化的能力有差異，不同個體、不同疾病狀態(tài)和不同部位的MSCs數(shù)量和質(zhì)量均可能有差異，如何才能使其發(fā)揮最大作用；②在成骨的過程中，MSCs細(xì)胞間相互如何作用以及其所處的微環(huán)境中的各種刺激因子如何起作用，以及刺激因子間的相互關(guān)系；③不同來源的MSCs分化潛能是否一樣，多代培養(yǎng)后自我更新、多向分化的潛力是否相同等；④關(guān)于MSCs的移植途徑目前已經(jīng)報道有靜脈輸入、靶器官動脈血管介入、定位移植等，哪種方法最合適；⑤植入的MSCs所形成的骨在組織學(xué)、生物力學(xué)上與正常骨的差別，能否解決退變的問題；⑥自體與異體MSCs間的應(yīng)用選擇，等。

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