間充質(zhì)干細(xì)胞治療骨關(guān)節(jié)炎的研究進(jìn)展

張旭　豐哲　李富濤　陳禺　崔真?zhèn)?/p>

【摘 要】 骨關(guān)節(jié)炎是以關(guān)節(jié)疼痛、僵直畸形及功能障礙為主要臨床表現(xiàn)的疾病，關(guān)節(jié)軟骨退變及損傷是其最根本的病變。目前，骨關(guān)節(jié)炎臨床治療效果并不理想，手術(shù)治療具有高風(fēng)險(xiǎn)、高費(fèi)用及術(shù)后并發(fā)癥等一系列問(wèn)題，大部分保守治療只能緩解癥狀。隨著醫(yī)療水平不斷提高，通過(guò)干細(xì)胞及細(xì)胞因子修復(fù)受損軟骨是目前治療骨關(guān)節(jié)炎的一種新思路，故對(duì)近年來(lái)間充質(zhì)干細(xì)胞治療骨關(guān)節(jié)炎的研究進(jìn)行綜述。

【關(guān)鍵詞】 骨關(guān)節(jié)炎;軟骨細(xì)胞;軟骨修復(fù);間充質(zhì)干細(xì)胞;研究進(jìn)展;綜述

骨關(guān)節(jié)炎（osteoarthritis，OA）作為一種最常見(jiàn)的骨關(guān)節(jié)疾病，已成為醫(yī)學(xué)領(lǐng)域面臨的一大難題，現(xiàn)有的臨床治療效果并不理想，只能起到緩解病情的作用。隨著骨組織工程和軟骨再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的迅速發(fā)展，利用干細(xì)胞及細(xì)胞因子已逐漸成為治療OA的一種新方法。其中，間充質(zhì)干細(xì)胞（MSC）以其來(lái)源廣泛、獲取創(chuàng)傷小、繁殖能力強(qiáng)、具有良好的軟骨分化潛能等優(yōu)勢(shì)，已成為治療OA的重點(diǎn)研究細(xì)胞，有望在OA的治療中發(fā)揮重要作用。本文主要介紹基于MSC的軟骨修復(fù)作用治療OA的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用前景。

1 OA與軟骨修復(fù)

OA是以軟骨退行性變、消失，以及關(guān)節(jié)邊緣韌帶附著處和軟骨下骨反應(yīng)性增生形成骨贅，并由此引起關(guān)節(jié)疼痛、僵直畸形和功能障礙為主要病理改變的慢性骨關(guān)節(jié)疾病，又稱退行性關(guān)節(jié)炎、增生性關(guān)節(jié)炎、肥大性關(guān)節(jié)炎等。目前，OA的發(fā)病機(jī)制尚未完全闡明，相關(guān)研究顯示，老齡化、體質(zhì)量指數(shù)（BMI指數(shù)）超常、持續(xù)勞損、關(guān)節(jié)創(chuàng)傷、畸形、遺傳因素、細(xì)胞因子異常、關(guān)節(jié)內(nèi)微環(huán)境異常、生物力學(xué)改變等因素都與OA的發(fā)病密切相關(guān)[1]。關(guān)節(jié)軟骨退變及損傷是其最根本的病變。關(guān)節(jié)軟骨是構(gòu)成關(guān)節(jié)表面的主要部分，具有承受重力、緩沖壓力及潤(rùn)滑關(guān)節(jié)等作用。軟骨被破壞后，兩骨端直接接觸，反復(fù)摩擦產(chǎn)生炎癥，軟骨下骨及滑膜也隨之改變[2]。由關(guān)節(jié)磨損或創(chuàng)傷引起的關(guān)節(jié)軟骨缺損，根據(jù)是否延伸至軟骨下骨可分為部分或全部厚度損傷[3]，這些缺損會(huì)導(dǎo)致軟骨闡明退化，最終形成OA，導(dǎo)致患者關(guān)節(jié)劇烈疼痛、畸形、活動(dòng)障礙，甚至殘疾，生存質(zhì)量嚴(yán)重下降。隨著社會(huì)年齡組成結(jié)構(gòu)改變[4]，OA的發(fā)病率逐漸上升，全世界有超過(guò)2.5億人受到影響，藥物及住院治療費(fèi)用的增加，也給整個(gè)社會(huì)帶來(lái)了沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)[5]，本病已成為醫(yī)療系統(tǒng)所面臨的嚴(yán)峻問(wèn)題，和心腦血管疾病、癌癥并稱為威脅人類健康的“三大殺手”。

研究發(fā)現(xiàn)，OA的演變與軟骨細(xì)胞對(duì)生長(zhǎng)因子的不良反應(yīng)、關(guān)節(jié)軟骨的生物力學(xué)特性改變、線粒體功能障礙、氧化應(yīng)激和炎癥等因素有關(guān)[6]。軟骨主要是由細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）中的軟骨細(xì)胞分化形成，隨著人體衰老及關(guān)節(jié)磨損，軟骨細(xì)胞數(shù)量的減少會(huì)影響ECM蛋白的產(chǎn)生。由于軟骨的無(wú)血管性質(zhì)，自我修復(fù)能力有限[7]，當(dāng)前的軟骨修復(fù)方法包括保守療法和手術(shù)療法。保守療法包括關(guān)節(jié)內(nèi)注射皮質(zhì)類固醇、透明質(zhì)酸以及口服硫酸軟骨素等[8-9]，但是這些治療大部分只能緩解疼痛，并且缺乏明確有效治療OA的證據(jù)[10]。手術(shù)療法包括關(guān)節(jié)鏡手術(shù)（微骨折和微鉆孔）、骨軟骨移植和自體軟骨細(xì)胞植入（ACI/ACIC）[11]等，這些技術(shù)旨在通過(guò)促進(jìn)血管浸潤(rùn)，纖維蛋白凝塊形成和干細(xì)胞募集促進(jìn)軟骨再生，在OA治療中具有一定軟骨修復(fù)作用[12]。但是，同時(shí)可能形成缺乏耐用性的機(jī)械性軟骨[13]，移植物（如軟骨膜和骨膜）鈣化或退化，移植物與受區(qū)軟骨附著性差和移植物丟失率高，供區(qū)繼發(fā)組織缺損[14]，膨脹的軟骨細(xì)胞可能發(fā)生去分化從而產(chǎn)生低質(zhì)量的軟骨[15]，在晚期造成更嚴(yán)重的OA。隨著細(xì)胞再生醫(yī)學(xué)及軟骨修復(fù)在OA治療中的優(yōu)勢(shì)效果和問(wèn)題的出現(xiàn)，基于MSC的軟骨修復(fù)或許可以為OA提供一條新的治療研究思路。

2 MSC治療OA的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 MSC的來(lái)源及特點(diǎn) MSC是中胚層衍生的非造血細(xì)胞，可以輕松地從骨髓、脂肪組織、臍帶血等中分離出來(lái)，并在體外擴(kuò)增以獲得大量的細(xì)胞用于軟骨修復(fù)治療[16]，通過(guò)密度梯度離心法和酶消化、熒光或磁性激活的細(xì)胞分選，以及其他基于抗體的高度自動(dòng)化選擇性系統(tǒng)獲得純凈MSC細(xì)胞并去除非貼壁細(xì)胞[17]（主要是造血干細(xì)胞）。主流MSC細(xì)胞擴(kuò)增系統(tǒng)包括靜態(tài)平面系統(tǒng)[18]與動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，靜態(tài)平面系統(tǒng)中的T型燒瓶、多層燒瓶培養(yǎng)方式轉(zhuǎn)移方便，細(xì)胞在2D平面培養(yǎng)，但其細(xì)胞擴(kuò)增性有限，而且采集困難，培養(yǎng)效率低;動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中的介質(zhì)再循環(huán)生物反應(yīng)器[19]（多板生物反應(yīng)器、固定床生物反應(yīng)器、中空纖維生物反應(yīng)器）與懸浮生物反應(yīng)器[20]（攪拌生物反應(yīng)器）通常用于細(xì)胞的大規(guī)模擴(kuò)增，大部分是通過(guò)模擬人體獨(dú)特的關(guān)節(jié)細(xì)胞微環(huán)境3D多層培養(yǎng)，可以監(jiān)視和控制培養(yǎng)參數(shù)，更精確及時(shí)地干預(yù)，產(chǎn)生更高質(zhì)量的MSC。MSC可分為骨髓MSC（BMSCs）、脂肪干細(xì)胞（ADMSCs）、臍帶MSC（UC-MSCs）等，其中BMSCs可以通過(guò)細(xì)胞間的相互作用及產(chǎn)生細(xì)胞因子抑制T細(xì)胞的增殖及免疫反應(yīng)[21]，而且易于分離、培養(yǎng)、擴(kuò)增和純化，多次傳代擴(kuò)增后仍具有干細(xì)胞特性，不存在免疫排斥的特性，常用于OA軟骨修復(fù)研究。不論細(xì)胞來(lái)源如何，MSC都可以在誘導(dǎo)劑[包括轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β（TGF-β）和骨形態(tài)發(fā)生蛋白（BMP），胰島素樣生長(zhǎng)因子（IGF），胰島素轉(zhuǎn)鐵蛋白-硒和肝細(xì)胞生長(zhǎng)因子]刺激下發(fā)生軟骨分化[22]。MSC以其來(lái)源廣泛、獲取創(chuàng)傷小、增殖能力強(qiáng)、具有良好的軟骨分化潛能等諸多優(yōu)勢(shì)成為目前最有應(yīng)用前景的軟骨修復(fù)種子細(xì)胞，并得到廣泛研究應(yīng)用[23]。

2.2 MSC的軟骨修復(fù)機(jī)制 隨著軟骨修復(fù)與細(xì)胞再生醫(yī)學(xué)的研究，了解正常軟骨生成的調(diào)控非常重要，因?yàn)榛贛SC的軟骨修復(fù)技術(shù)至少部分涉及了人體軟骨的主要發(fā)育步驟。ECM主要是由膠原蛋白和蛋白聚糖組成，人體軟骨根據(jù)ECM的成分差異分為3種類型：彈性軟骨、纖維軟骨和透明軟骨。其中纖維軟骨被認(rèn)為是致密結(jié)締組織和透明軟骨之間的過(guò)渡組織[24]，如半月板和椎間盤，這是唯一包含Ⅰ型膠原的軟骨;透明軟骨也叫關(guān)節(jié)軟骨，存在于滑膜關(guān)節(jié)表面，主要由Ⅱ型膠原蛋白和硫酸化蛋白聚糖（aggrecan）組成。在軟骨形成的早期，軟骨祖細(xì)胞會(huì)產(chǎn)生富含透明質(zhì)酸、Ⅰ型膠原和Ⅱ型膠原蛋白的ECM[25]，通過(guò)N-鈣黏蛋白的細(xì)胞間相互作用，間隙連接和細(xì)胞黏附分子的出現(xiàn)介導(dǎo)了其聚集至軟骨前凝結(jié)[26]。通過(guò)這些細(xì)胞相互作用以及ECM中的纖連蛋白、腱糖蛋白和血小板反應(yīng)蛋白觸發(fā)細(xì)胞內(nèi)信號(hào)傳導(dǎo)聯(lián)級(jí)反應(yīng)，使分化的軟骨祖細(xì)胞能夠獲得軟骨細(xì)胞的典型球形形態(tài)，并啟動(dòng)軟骨特異性ECM分子的合成。在MSC培養(yǎng)中通過(guò)許多細(xì)胞外信號(hào)分子、生長(zhǎng)因子和信號(hào)通路（如FGF、TGF-β、BMP及N-鈣黏蛋白、MAPK、Notch通路）的相互作用促進(jìn)細(xì)胞黏附，避免肥大性分化，誘導(dǎo)軟骨形成[27]。在OA中，軟骨細(xì)胞的破壞會(huì)釋放炎性因子抑制膠原蛋白和蛋白聚糖的合成[28]。MSC能通過(guò)募集到軟骨損傷部位發(fā)揮抗炎作用，影響炎癥因子表達(dá)，延緩軟骨進(jìn)一步破壞[29]。研究發(fā)現(xiàn)，MSC具有旁分泌作用[30]，從植入的MSC釋放的微囊泡中含有的生長(zhǎng)因子、細(xì)胞因子、生物活性物質(zhì)可以促進(jìn)軟骨細(xì)胞增殖及膠原蛋白合成，使OA患者疼痛緩解和功能改善。目前，MSC在軟骨形成的分子作用機(jī)制仍不明確，為了避免產(chǎn)生纖維軟骨、肥大性軟骨及軟骨骨化，仍需要進(jìn)一步深入MSC的軟骨定向分化表達(dá)基礎(chǔ)研究。

2.3 MSC在治療OA中的應(yīng)用 目前，使用MSC進(jìn)行軟骨細(xì)胞治療OA已有相當(dāng)多的實(shí)驗(yàn)及臨床研究，主要集中在將各種擴(kuò)增系統(tǒng)收獲的MSC與粘合劑（基于密封劑）混合，或接種在生物相容性支架（基于支架）上將其遞送至軟骨損傷部位兩種方式[31]。通過(guò)一些天然生物材料（包括膠原蛋白、明膠、硫酸軟骨素、透明質(zhì)酸等）或合成生物材料[例如聚乙二醇（PEG）、聚氨酯（PU）等]與MSC混合制成密封劑，由于其優(yōu)異的生物相容性[32]，強(qiáng)黏附性、可生物降解和低免疫反應(yīng)等特性被廣泛應(yīng)用。WAKITANI等[33]在2002年報(bào)告了第1個(gè)BM-MSC移植試驗(yàn)，使用膠原蛋白凝膠作為密封劑修復(fù)膝OA中的人類軟骨缺損，通過(guò)BMSCs募集到軟骨損傷部位促進(jìn)膠原蛋白合成，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，移植42周后在缺損處部分可見(jiàn)透明軟骨樣組織覆蓋。此后，還有其他報(bào)道表明，將基于密封劑凝膠的MSC懸浮液與各種天然生物材料結(jié)合使用不同的ECM都具有良好的軟骨修復(fù)效果[34]。YONGBEOM等[35]通過(guò)同種異體UC-MSCs

和透明質(zhì)酸水凝膠的復(fù)合體在OA患者中的軟骨再生研究，雖然是同種異體細(xì)胞，但其易于從臍帶血庫(kù)中獲得，屬于非侵入性采集，細(xì)胞免疫性低，能抑制T細(xì)胞的增殖并分化成軟骨組織，影響炎癥因子表達(dá)，經(jīng)過(guò)7年的隨訪，未觀察到明顯的不良事件，在持續(xù)性軟骨再生方面似乎是安全有效的。然而，不同批次之間的天然密封膠可能會(huì)發(fā)生變性，影響修復(fù)能力。另一方面，通過(guò)支架技術(shù)修復(fù)軟骨也在逐步研究。UEMATSU等[36]通過(guò)接種有培養(yǎng)的MSC的PLGA支架修復(fù)兔膝蓋大缺陷的軟骨，成功誘導(dǎo)了軟骨形成，這種支架可以增強(qiáng)MSC的細(xì)胞黏附、增殖和隨后的成軟骨分化，具有良好的生物相容性和可降解性，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)可以通過(guò)支架中適當(dāng)?shù)目讖綌U(kuò)散，能夠承受體內(nèi)負(fù)載環(huán)境并保護(hù)嵌入的MSC免受機(jī)械應(yīng)力破壞。在另一項(xiàng)大鼠軟骨缺損模型研究中，MSC接種的PLGA/NHA支架與PLGA支架相比，MSC的存活力和增殖明顯更好，可以形成發(fā)育更加成熟良好的透明軟骨組織[37]。另一種MSC形式的支架是使用可植入和降解的生物材料，將其直接植入缺損部位。與僅植入MSC相比，在PCL MC上將MSC植入軟骨缺損兔模型中細(xì)胞微載體可以模擬體內(nèi)三維細(xì)胞培養(yǎng)環(huán)境，有利于細(xì)胞遷移和增殖，微載體表面的BMP-7可以增強(qiáng)MSC骨修復(fù)和抗菌能力，顯示出更好的軟骨形成分化，更節(jié)省時(shí)間[38]。然而，基于支架的技術(shù)尚不成熟，尚未在臨床試驗(yàn)中應(yīng)用，目前很少有使用基于支架的方法進(jìn)行軟骨的臨床試驗(yàn)（Ⅰ/Ⅱ期），并且尚無(wú)Ⅱ/Ⅲ期試驗(yàn)的報(bào)道。不過(guò)支架的MSC構(gòu)建體具有優(yōu)勢(shì)，尤其是在治療更嚴(yán)重的軟骨損傷方面（例如全厚度缺損），因?yàn)樗鼈兡軌虺惺荏w內(nèi)OA局部炎癥性微環(huán)境并保護(hù)嵌入的細(xì)胞免受任何機(jī)械應(yīng)力的作用[39]。隨著新改進(jìn)支架的開(kāi)發(fā)，例如PCL微載體和改良的PLGA支架顯示出許多可能的優(yōu)點(diǎn)，將來(lái)可能會(huì)有進(jìn)一步的臨床研究。許多臨床前和臨床研究已經(jīng)證明了使用MSC（基于密封劑或基于支架）進(jìn)行治療的可行性，但是，仍然有一些挑戰(zhàn)需要解決。由于細(xì)胞生長(zhǎng)和軟骨分化效率的差異，MSC分離過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生異常的細(xì)胞群，這就需要有能鑒定和可能分離有效細(xì)胞的生物學(xué)標(biāo)記獲得更純凈的MSC細(xì)胞群[40]。雖然MSC在OA治療方面還存在一定限制和問(wèn)題，但其軟骨修復(fù)的巨大潛力對(duì)未來(lái)OA治療的方向仍具有研究意義。

3 展 望

目前，OA的治療主要以緩解臨床癥狀、改善關(guān)節(jié)活動(dòng)功能、提高患者生存質(zhì)量為主，治療方法主要有控制體重、健康宣教、理療、藥物治療和手術(shù)治療。各種療法在一定程度上有助于緩解疼痛，但不能改變關(guān)節(jié)軟骨退變的進(jìn)程，且不能徹底治愈OA，疾病發(fā)展到晚期時(shí)，關(guān)節(jié)置換術(shù)可能成為唯一的、不可避免的選擇。但是，目前可用的假體壽命有限，無(wú)法滿足年輕患者的需求。隨著細(xì)胞再生及軟骨修復(fù)的研究，MSC具有來(lái)源廣泛、增殖能力強(qiáng)、良好的軟骨分化潛能等諸多優(yōu)勢(shì)，其抗炎、旁分泌作用能明顯促進(jìn)軟骨修復(fù)，延緩OA的發(fā)展。雖然目前基于MSC細(xì)胞進(jìn)行軟骨修復(fù)的治療在臨床中具有一定限制，但其軟骨再生潛力在治療OA中仍具有較大研究意義。進(jìn)一步研究其細(xì)胞軟骨分化機(jī)制和臨床作用將為治療OA提供指導(dǎo)，細(xì)胞軟骨修復(fù)或許是未來(lái)治療OA的方向和希望。

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收稿日期：2020-04-01;修回日期：2020-05-19