骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞在治療股骨頭壞死中的應(yīng)用

王湛，王天勝

(1.中國醫(yī)科大學(xué)94 期七年制，遼寧 沈陽 110001;2.解放軍第463 醫(yī)院骨科，遼寧 沈陽 110042)

股骨頭壞死是由于破壞了股骨頭的血液供應(yīng)所造成的最終結(jié)果，是臨床常見的疾病之一，其確切病因尚不清楚，有多種學(xué)說，目前認(rèn)為可能與下列因素有關(guān)，包括患者有長期服用糖皮質(zhì)激素的病史，長期過量飲酒致酒精中毒，有創(chuàng)傷病史，患有血液系統(tǒng)疾病等。其主要的病理學(xué)改變是股骨頭局部的滋養(yǎng)血管受到破壞，導(dǎo)致骨缺血，誘發(fā)骨質(zhì)變性，最終出現(xiàn)骨小梁的斷裂，股骨頭塌陷，骨壞死，進(jìn)而逐漸喪失髖關(guān)節(jié)功能［1，2］。股骨頭壞死患者多為青壯年，其主要癥狀最初為間歇性疼痛，隨著病情的發(fā)展，疼痛時(shí)間延長，以至于出現(xiàn)持續(xù)性疼痛。由于疼痛導(dǎo)致反射性肌肉痙攣，使關(guān)節(jié)活動受到限制，這樣最終會影響到患者的正常生活。因此早期診斷和治療對改善預(yù)后十分重要［3］。目前臨床上對股骨頭壞死多采取手術(shù)治療，常用的術(shù)式有骨膜移植術(shù)、單純的骨移植術(shù)或髓芯減壓術(shù)等。這些治療方法雖有一定療效，但還存在很多問題，治療效果不能令人滿意。

研究表明，股骨頭壞死的發(fā)病除與各種原因引起的局部組織缺血有關(guān)以外，還與成骨細(xì)胞及骨髓內(nèi)間充質(zhì)干細(xì)胞的活性降低及總體數(shù)量減少相關(guān)聯(lián)，因此，實(shí)際上股骨頭壞死也可以認(rèn)為就是一種骨細(xì)胞和/或間充質(zhì)干細(xì)胞疾病［4］。近年來臨床上開始將骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs)應(yīng)用于治療股骨頭壞死，結(jié)果呈現(xiàn)出良好的治療效果，因此已逐漸被推廣，現(xiàn)已成為治療股骨頭壞死的熱點(diǎn)技術(shù)之一。本文就骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞移植在治療股骨頭壞死中的應(yīng)用及臨床相關(guān)研究現(xiàn)狀做一綜述。

1 BMSCs 生物學(xué)性質(zhì)

BMSCs 又稱骨髓干細(xì)胞、骨髓多能干細(xì)胞，是20世紀(jì)70年代才開始受到重視的一類纖維集落生成細(xì)胞［5］。在胚胎發(fā)育過程中BMSCs 來源于中胚層，存在于成人的骨髓組織中，在光學(xué)顯微鏡下其形態(tài)特征為為長梭形，類似成纖維細(xì)胞，與成纖維細(xì)胞有一定的同源性特征。

BMSCs 屬于干細(xì)胞，表現(xiàn)出干細(xì)胞的共同特性，即能夠自我復(fù)制，具有多向分化潛能。在特定的誘導(dǎo)微環(huán)境下，BMSCs 能夠分化為同為中胚層的成骨細(xì)胞、軟骨細(xì)胞、肌細(xì)胞及脂肪細(xì)胞等。此外，BMSCs 還可以向其他胚層來源的細(xì)胞分化，例如，可分化為來源于外胚層的神經(jīng)元樣細(xì)胞、神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞，來源于內(nèi)胚層的肝細(xì)胞等［6］。BMSCs 除具有上述干細(xì)胞的一般特點(diǎn)，還能分泌多種成骨活性因子，有利于骨折愈合時(shí)細(xì)胞爬行，提示在骨與軟組織損傷修復(fù)中可能具有良好的治療作用，這無疑為BMSCs 在股骨頭壞死治療中的應(yīng)用提供了重要的理論基礎(chǔ)，而目前已取得的研究成果預(yù)示BMSCs 的應(yīng)用有可能成為一種新的治療股骨頭壞死的有效方法［7］。

2 應(yīng)用BMSCs 治療股骨頭壞死的適應(yīng)證

應(yīng)用BMSCs 治療股骨頭壞死時(shí)一般應(yīng)選擇病變早期患者，即根據(jù)ARCO 分期，應(yīng)為Ⅰ期、Ⅱ期的患者。此時(shí)患者的股骨頭仍具有完好的外形。而Ⅲ期患者主要行股骨近端截骨術(shù)和(非)血管化骨移植。Ⅳ期患者則根據(jù)壞死區(qū)的大小和病理改變，可選擇關(guān)節(jié)面重建術(shù)或髖關(guān)節(jié)置換［8］。

3 BMSCs 治療股骨頭壞死的臨床應(yīng)用

3.1 通過髓芯鉆孔減壓結(jié)合BMSCs 移植治療股骨頭壞死有研究顯示，股骨頭內(nèi)高壓是導(dǎo)致股骨頭壞死的重要因素，由于某種原因使骨髓腔內(nèi)正常的造血組織及骨髓內(nèi)的脂肪細(xì)胞增大，組織液增多，致使髓腔內(nèi)壓力增高，進(jìn)而導(dǎo)致靜脈血回流阻滯，出現(xiàn)微循環(huán)障礙，造成骨組織缺氧，使成骨細(xì)胞及骨髓細(xì)胞死亡［9］。基于上述的病理性改變，F(xiàn)icat 等設(shè)計(jì)了開放封閉的骨髓腔的髓芯減壓術(shù)，這樣不但可以減低骨內(nèi)壓，而且還可以提供從周圍正常骨組織新生的毛細(xì)血管向股骨頭缺血壞死區(qū)爬行修復(fù)的通道。然而此種辦法并沒有徹底解決股骨頭的修復(fù)問題，若在髓芯減壓的基礎(chǔ)上進(jìn)行BMSCs的移植，BMSCs沿髓芯減壓孔注入到骨壞死區(qū)域，提供修復(fù)重建股骨頭的種子細(xì)胞，在局部微環(huán)境的影響下，BMSCs 定向的向骨細(xì)胞分化，通過新生骨重建骨結(jié)構(gòu)達(dá)到治療股骨頭壞死的效果［10］。

比較采用髓芯減壓術(shù)并BMSCs 移植相結(jié)合的治療方法與單純髓芯減壓治療早期(ARCOⅠ、Ⅱ期)股骨頭壞死的療效，結(jié)果顯示前者的療效明顯優(yōu)于后者［11］。例如，Hernigou等［12］采用了髓芯減壓加自體骨髓移植的方法治療股骨頭壞死116例189 髖，其做法是取髂前上棘骨髓血經(jīng)過離心后獲得干細(xì)胞懸液，在經(jīng)過髓芯減壓以后，插入一個(gè)小套針管，首先注入少量造影劑，再經(jīng)套管針注入制備好的干細(xì)胞懸液。對經(jīng)過這樣治療的患者進(jìn)行隨訪，術(shù)后7年，在對Ⅰ、Ⅱ期患者進(jìn)行治療的145 髖中，只有9 髖需要再次進(jìn)行關(guān)節(jié)置換手術(shù)。而在對Ⅲ、Ⅳ期患者治療的44 髖中，有25 髖需要再次進(jìn)行關(guān)節(jié)置換手術(shù)。由此可見，髓芯減壓加BMSCs 移植是治療ARCOI、Ⅱ期股骨頭壞死安全有效的方法，但對Ⅲ、Ⅳ期患者療效欠佳。

通過髓芯鉆孔減壓結(jié)合BMSCs 移植治療股骨頭壞死的方法主要的優(yōu)勢是采用了微創(chuàng)切口，由于治療過程中不破壞關(guān)節(jié)囊，因而對股骨頭的供血不會造成進(jìn)一步的損害，同時(shí)也不妨礙其他治療手段的實(shí)施，可與之并用。但此方法也存在一些問題，例如，通常需要在髂前上棘取骨髓，術(shù)后可能造成手術(shù)區(qū)的疼痛;減壓區(qū)骨皮質(zhì)外有出血，進(jìn)而可能形成血腫，而血腫的形成不利于傷口的愈合，并易并發(fā)感染。

3.2 采用BMSCs 動脈內(nèi)灌注治療股骨頭壞死 如上所述，雖然目前關(guān)于股骨頭壞死的發(fā)病機(jī)制還不清楚，但導(dǎo)致其病理性改變的是由于股骨頭血液供應(yīng)遭到破壞這一點(diǎn)是明確的，因此，治療股骨頭壞死關(guān)鍵是需要恢復(fù)股骨頭區(qū)的血液供應(yīng)，而自體干細(xì)胞移植誘導(dǎo)血管再生技術(shù)的出現(xiàn)為其治療提供了技術(shù)平臺，具有廣闊的應(yīng)用前景。

Ji WF 等［13］對兔股骨頭壞死動物模型進(jìn)行BMSCs 動脈灌注治療實(shí)驗(yàn)，應(yīng)用四環(huán)素?zé)晒鈽?biāo)記顯示，在BMSCs 治療組經(jīng)兩周后出現(xiàn)了間充質(zhì)細(xì)胞的增生，在周圍骨小梁表面有明顯的新骨形成，并伴有大量血管增生。楊曉鳳等［14］在臨床上對股骨頭壞死患者63例采用超選擇性股骨頭供血?jiǎng)用}干細(xì)胞移植術(shù)，取得了比較滿意的治療效果，經(jīng)過治療后關(guān)節(jié)疼痛的緩解率為85.7%，關(guān)節(jié)功能改善率達(dá)30.2%，經(jīng)檢查可見旋股內(nèi)、外動脈及閉孔動脈管徑增粗，出現(xiàn)較多新生血管，明顯改善了股骨頭區(qū)的血液供應(yīng)。其中對2例在治療18個(gè)月后進(jìn)行了復(fù)查，結(jié)果可見股骨頭壞死區(qū)已經(jīng)縮小，并有新骨形成。

采用BMSCs 動脈內(nèi)灌注治療股骨頭壞死的機(jī)制可能與下列因素有關(guān)［13］，首先通過疏通出現(xiàn)病變的股骨頭內(nèi)血管，進(jìn)而改善了局部靜脈回流，降低了骨內(nèi)壓，使股骨頭內(nèi)的血液供應(yīng)得到改善。其次，通過BMSCs 的植入也改善了股骨頭壞死區(qū)域周圍的血液供應(yīng)，增強(qiáng)了髖部局部的血液循環(huán)，進(jìn)而也能為股骨頭壞死區(qū)域提供良好的血液供應(yīng)的局部環(huán)境。此外，通過BMSCs 的植入也能起到修復(fù)損傷血管、保護(hù)局部血管內(nèi)皮的作用，加之有新生的血管，有利于建立局部良好的血液循環(huán)。

采用BMSCs 動脈內(nèi)灌注治療股骨頭壞死的方法的主要優(yōu)勢是由于是直接經(jīng)股骨頭的供血?jiǎng)用}供給BMSCs，因此其安全性較高，效果也比較明確，且操作簡單易行。此方法目前還需要解決的問題是應(yīng)該進(jìn)一步明確經(jīng)移植后干細(xì)胞在缺血組織內(nèi)增殖分化的潛能，骨缺損修復(fù)的時(shí)間，影響治療效果的因素以及如何預(yù)防新生血管的再狹窄等。

3.3 BMSCs與組織工程學(xué)技術(shù)相結(jié)合治療股骨頭壞死 組織工程學(xué)是一門新興學(xué)科，隨著組織工程學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，為臨床多種疾病的治療提供了新的更有效的方法。組織工程學(xué)主要是將生命科學(xué)和工程學(xué)的原理及技術(shù)相結(jié)合，應(yīng)用生物材料作為載體，研究開發(fā)設(shè)計(jì)構(gòu)建或重建具有生理功能的各種組織器官，通過移植到體內(nèi)，使之成為具有修復(fù)、維持或改善受損組織功能的生物替代物。骨組織工程學(xué)的目的是通過誘導(dǎo)新的功能骨的再生，與生物材料、細(xì)胞和各種因子協(xié)同進(jìn)行治療［15］。

目前認(rèn)為BMSCs 是最有臨床應(yīng)用前景的種子細(xì)胞［16］，也是在組織工程學(xué)中常常被利用的“工具”。BMSCs與組織工程學(xué)技術(shù)相結(jié)合治療股骨頭壞死就是利用BMSCs 能被誘導(dǎo)分化為成骨細(xì)胞的特性，結(jié)合骨組織工程的生物支架及誘導(dǎo)功能，通過將BMSCs與某種形式的組織工程支架共同植入體內(nèi)，定向地修復(fù)股骨頭壞死骨性病變。Livingston 等［17］將培養(yǎng)擴(kuò)增后的BMSCs與生物支架材料共同用于犬骨缺損模型體內(nèi)，經(jīng)8 周后可見在植入物中幾乎每個(gè)孔中都含有相當(dāng)數(shù)量的新骨形成，而且在受體骨與植入物的界面上也有大量新骨生成，出現(xiàn)一個(gè)跨缺損區(qū)的骨連續(xù)帶，在植入16 周后可見骨缺損已逐漸修復(fù)。

BMSCs與組織工程學(xué)技術(shù)相結(jié)合治療股骨頭壞死的機(jī)制可能與下列諸因素有關(guān)，其一，組織工程支架為各種所需生長因子提供了良好的載體，使BMSCs 在有利于向成骨細(xì)胞分化的微環(huán)境下有效地向目標(biāo)組織分化［18］。其二，組織工程支架的使用確保了BMSCs 植入到壞死的股骨頭局部內(nèi)，使療效明確。其三，由于組織工程支架具備三維立體結(jié)構(gòu)，這樣就使其在植入壞死區(qū)后更有利于新生組織定位生長，即新生毛細(xì)血管、血管周圍組織和骨母細(xì)胞的長入。綜上所述，此方法具有很好的應(yīng)用前景，目前需要解決的主要問題是組織工程學(xué)生物支架材料還處于研發(fā)階段，技術(shù)尚未成熟，臨床遠(yuǎn)期效果還需要進(jìn)一步明確，因此，在臨床中的廣泛應(yīng)用還需要進(jìn)一步的深入論證。

4 目前存在的主要問題

關(guān)于應(yīng)用BMSCs 治療股骨頭壞死的臨床和基礎(chǔ)的研究雖然已取得了較大的進(jìn)展，有很好的應(yīng)用前景，但此項(xiàng)技術(shù)仍有許多問題有待解決。

BMSCs 的來源和數(shù)量有限，目前治療用的骨髓多為自體骨髓移植。Lee 等［19］研究發(fā)現(xiàn)，酒精性和自發(fā)性非創(chuàng)傷性股骨頭壞死的BMSCs 向成骨分化的能力明顯減弱，說明不同病因?qū)е碌墓晒穷^壞死的BMSCs 向成骨分化的能力有所差異。因此，必須建立一套高效的BMSCs 體外擴(kuò)增活化技術(shù)，用來保證有足夠數(shù)量和活性的細(xì)胞滿足臨床需要。

誘導(dǎo)BMSCs 分化的細(xì)胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制還有許多不明之處，目前已知的各種調(diào)控BMSCs 分化的因素之間的相互關(guān)系還需要進(jìn)一步的深入研究。

在成骨過程中，需要弄清BMSCs 間的相互作用以及BMSCs 在細(xì)胞、組織微環(huán)境中定向分化所需的最佳條件，要以此為依據(jù)，才能建立最適于臨床應(yīng)用的技術(shù)方法。

臨床療效、體內(nèi)可控性以及安全性評價(jià)問題是BMSCs治療的根本問題。目前的臨床研究報(bào)道以短期觀察為主，缺乏長期隨訪及大樣本隨機(jī)對照研究。雖然目前沒有研究明確提示BMSCs 治療的副作用，但體外長期培養(yǎng)的BMSCs 若被移植到體內(nèi)可能存在產(chǎn)生基因突變，誘發(fā)腫瘤的可能性，還需要長期的觀察與深入的研究。目前，需要建立科學(xué)的評價(jià)體系，以確保安全、可靠的應(yīng)用。

BMSCs 治療是一種有別于常規(guī)藥物和手術(shù)治療的新技術(shù)，需要有相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范和管理機(jī)制，以確保技術(shù)的健康發(fā)展和醫(yī)患雙方的權(quán)益。

綜上所述，骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞在治療股骨頭壞死中的應(yīng)用盡管還有許多問題需要進(jìn)一步研究，但BMSCs 治療股骨頭壞死擁有取材容易、臨床治療可行性強(qiáng)、適用范圍廣等優(yōu)勢，且隨著分子生物學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)的迅速發(fā)展，將會逐漸明確促進(jìn)BMSCs 進(jìn)一步生長、分化為骨組織的生物學(xué)機(jī)制，明確調(diào)控其生物學(xué)作用的相關(guān)細(xì)胞因子，進(jìn)而能夠更好地為分布在壞死局部的BMSCs 提供適宜的微環(huán)境。我們相信隨著對BMSCs 治療股骨頭壞死研究的不斷深入，將會為股骨頭壞死的微創(chuàng)治療開辟新的紀(jì)元。

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