骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞治療股骨頭壞死的研究進(jìn)展

王鵬志 李盛華

（1 甘肅中醫(yī)藥大學(xué)2018 級碩士研究生 蘭州730000；2 甘肅省中醫(yī)院 蘭州730050）

股骨頭壞死（Osteonecrosis of the Femoral Head,ONFH）又稱缺血性股骨頭壞死，是一個漸進(jìn)的病理過程，通常是股骨頭血液供應(yīng)遭到破壞，導(dǎo)致骨髓成分、骨細(xì)胞死亡，最終壞死部分塌陷，出現(xiàn)髖部疼痛，活動受限，嚴(yán)重影響生活質(zhì)量，是骨科中較常見的難治性疾病。ONFH 在國內(nèi)的發(fā)病率非常高，可發(fā)生于任何年齡，大多數(shù)患者處于疾病發(fā)展的早中期，在15 歲及以上人群中估計(jì)有812 萬ONFH 患者[1]。而令人更加擔(dān)憂的是在該病的早中期有很大一部分患者難以被發(fā)現(xiàn)和診斷，導(dǎo)致病情進(jìn)展至晚期。所以，早中期診斷對延緩疾病的惡化和減少ONFH 患者進(jìn)行髖關(guān)節(jié)置換術(shù)至關(guān)重要。目前，治療早中期ONFH 的方法有帶旋髂深血管蒂髂骨瓣移植術(shù)、經(jīng)股骨粗隆旋轉(zhuǎn)截骨術(shù)、髓芯減壓術(shù)、鉭棒植入術(shù)[2～5]等，這些治療可以改善ONFH 患者的生活質(zhì)量，然而患者終將發(fā)展至晚期并進(jìn)行人工髖關(guān)節(jié)置換，而人工髖關(guān)節(jié)置換術(shù)不僅會讓患者承擔(dān)更高的經(jīng)濟(jì)成本和更大的手術(shù)風(fēng)險，最為重要的是人工髖關(guān)節(jié)置換的遠(yuǎn)期療效難以預(yù)測。與此同時，隨著再生醫(yī)學(xué)研究的逐漸深入，人們開始關(guān)注骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（Bone Marrow Mesenchymal Stem Cells, BMSCs）治療早中期ONFH。本文綜述了BMSCs 治療ONFH的研究進(jìn)展?，F(xiàn)報道如下：

1 ONFH 的病因和發(fā)病機(jī)制

自20 世紀(jì)60 年代以來，許多學(xué)者開始研究ONFH 的病因和發(fā)病機(jī)制，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)創(chuàng)傷、過量使用糖皮質(zhì)激素[6]、大量飲酒[7]和吸煙、妊娠[8]、遺傳、鐮狀細(xì)胞病、減壓病等因素與ONFH 密不可分，但其發(fā)病機(jī)制至今尚未明確。一些學(xué)者提出了許多假設(shè)，如脂質(zhì)代謝紊亂、骨質(zhì)疏松、血管內(nèi)皮損傷、血管內(nèi)凝血、二次碰撞等。糖皮質(zhì)激素是導(dǎo)致非創(chuàng)傷性股骨頭壞死（Nontraumatic Osteonecrosis of Femoral Head,NONFH）的主要原因之一，其可直接作用于成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞，抑制成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞的生成，誘導(dǎo)成骨細(xì)胞的凋亡，同時延長破骨細(xì)胞的存活時間[9]。并且長期使用糖皮質(zhì)激素會使骨細(xì)胞凋亡積累，進(jìn)而導(dǎo)致骨壞死；另外，骨細(xì)胞凋亡增加也可導(dǎo)致血管內(nèi)皮生長因子、骨骼血管生成，骨間質(zhì)液和骨強(qiáng)度降低。酗酒同樣被認(rèn)為是導(dǎo)致NONFH 的主要危險因素之一，但目前還不清楚酒精誘導(dǎo)NONFH 發(fā)生的確切發(fā)病機(jī)理。在NONFH 的各種發(fā)病機(jī)制中，如成骨損傷、氧化應(yīng)激、脂肪栓塞和高脂血癥等都與酒精誘導(dǎo)骨代謝的病理有關(guān)[10]。針對ONFH 患者，要早診斷早治療，促進(jìn)成骨細(xì)胞分化，減少破骨細(xì)胞的形成，恢復(fù)ONFH 部位的血液供給，防止股骨頭塌陷變形，從而減輕患者的疼痛和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。

2 BMSCs 的生物特性及其功能

干細(xì)胞是一種能夠自我更新的細(xì)胞，同時可以產(chǎn)生多種類型的細(xì)胞，BMSCs 是其中較為重要的一種，通常來自髂骨的骨髓[11]。一方面，BMSCs 是一種具有多向分化潛能的干細(xì)胞，可以進(jìn)行無限的增殖與分化[12]，在一定的條件下可以向特定的方向轉(zhuǎn)化，如成骨細(xì)胞、脂肪細(xì)胞、神經(jīng)細(xì)胞、上皮細(xì)胞、軟骨細(xì)胞、血管內(nèi)皮細(xì)胞和其他中胚層細(xì)胞[13]等；另一方面，BMSCs 在體外培養(yǎng)過程中可以較容易獲得和增殖，這使得BMSCs 在科學(xué)研究中具有很大的吸引力?？蒲腥藛T利用BMSCs 的分化潛能來治療許多疾病，如ONFH、椎間盤退變、脊髓損傷、腦梗死、急性肺損傷等，以期獲得更好的治療效果，滿足患者的需求。

3 促進(jìn)BMSCs 向成骨細(xì)胞分化因素

BMSCs 向成骨細(xì)胞分化的過程中需要一定的條件，而且受到諸多因素的影響，比如環(huán)境因素、自身調(diào)控因素等[14]。環(huán)境因素主要包括骨形態(tài)發(fā)生蛋白、激素、中藥調(diào)控、沖擊波、磁場等多種因素。骨形態(tài)發(fā)生蛋白（BMP）是轉(zhuǎn)化生長因子-β（TGF-β）超家族的成員，在成骨細(xì)胞分化中具有重要的調(diào)節(jié)作用，可作為具有異位成骨能力的生長因子，主要是通過提高胞內(nèi)骨橋蛋白、骨鈣素及堿性磷酸酶（ACP）的活性來促使骨髓基質(zhì)細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化[15]。另外，還可調(diào)節(jié)BMSCs 的增殖分化和成骨細(xì)胞分化成熟，維持成骨細(xì)胞正常功能，從而使成骨細(xì)胞保持一定的數(shù)量、骨細(xì)胞群體數(shù)量保持穩(wěn)定。BMSCs 體外分化為成骨細(xì)胞是通過特定的誘導(dǎo)培養(yǎng)基來實(shí)現(xiàn)的，其主要成分為地塞米松、抗壞血酸和β-甘油磷酸鹽[16]。適宜濃度的地塞米松是一種誘導(dǎo)成骨細(xì)胞不可或缺的糖皮質(zhì)激素，可提高堿性磷酸酶的活性，使細(xì)胞外基質(zhì)膠原含量合成增加，進(jìn)而促進(jìn)向成骨細(xì)胞分化；抗壞血酸是促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖和分化的重要抗氧化劑[17]。成骨細(xì)胞的質(zhì)膜具有抗壞血酸特異性的Na+依賴性轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，可調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)抗壞血酸的含量，而且抗壞血酸在羥化酶的修復(fù)中起重要作用，并且是骨骼形成過程中必不可少的一環(huán)[18]；β-甘油磷酸鹽可以充當(dāng)骨鹽磷的來源，可誘導(dǎo)細(xì)胞外相關(guān)激酶磷酸化成骨基因表達(dá)；研究發(fā)現(xiàn)，無機(jī)磷酸鹽作為細(xì)胞內(nèi)信號分子，可調(diào)節(jié)許多成骨基因的表達(dá)，包括骨橋蛋白基因和骨形態(tài)發(fā)生蛋白2（BMP2）[19～20]。

中醫(yī)學(xué)認(rèn)為，腎藏精，主骨生髓。補(bǔ)腎填精藥物與干細(xì)胞分化為成骨細(xì)胞之間存在著不可分割的關(guān)系。有研究表明，左歸丸和右歸丸均能促進(jìn)大鼠BMSCs 的增殖與成骨分化，同時抑制其破骨細(xì)胞與成脂細(xì)胞分化，兩者均是通過上調(diào)BMP2 和Runt相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子2（Runx2）的蛋白表達(dá)促進(jìn)成骨分化，而左歸丸又可以上調(diào)FNDC5 的蛋白表達(dá)促進(jìn)成骨分化。Zhai 等[21]收集ONFH 患者的骨髓以研究體外沖擊波對骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的影響，結(jié)果表明，適宜強(qiáng)度的體外沖擊波可滲透進(jìn)微血管，加速毛細(xì)血管微循環(huán)，提高細(xì)胞攝取氧氣的能力，改善血液微循環(huán)，為骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的增殖，并向成骨細(xì)胞分化提供良好的條件。Fan 等[22]發(fā)現(xiàn)體外沖擊波還可通過蛋白磷酸化作用促進(jìn)骨細(xì)胞標(biāo)志物（ALP、鈣沉積、BMP2、Runx2）上調(diào)以及將脂肪來源的干細(xì)胞轉(zhuǎn)化為成骨細(xì)胞。其作用機(jī)理可能是沖擊波促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)三磷腺苷（ATP）釋放到細(xì)胞外，當(dāng)細(xì)胞外ATP 濃度增加到一定程度時，可激活P2X7受體信號通路，引起B(yǎng)MSCs 向成骨細(xì)胞分化，從而促進(jìn)鈣化和成骨[23]。目前，自身調(diào)控因素主要是轉(zhuǎn)錄因子Runx2。轉(zhuǎn)錄因子是影響骨形成的重要因素，而轉(zhuǎn)錄因子Runx2 在骨形成過程中更是必不可少。它是成骨細(xì)胞開始分化的標(biāo)志物，控制著幾種關(guān)鍵成骨細(xì)胞相關(guān)基因的表達(dá)[24]。

4 BMSCs 治療早中期ONFH

4.1 單純BMSCs 治療ONFH Yuan 等[25]檢索PubMed、Embase 和Web of Science 數(shù)據(jù)庫，分析了BMSCs 植入治療ONFH 的臨床療效，發(fā)現(xiàn)接受BMSCs 植入治療的ONFH 患者，ONFH 的發(fā)展較緩慢，全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)發(fā)生率較低，Harris 髖關(guān)節(jié)評分升高。Hernigou 等[26]檢索PubMed 數(shù)據(jù)庫，檢索詞為“ONFH”和“BMSCs”，在所檢索出的文章當(dāng)中發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用BMSCs 治療ONFH 具有一定的臨床效果，并討論了BMSCs 治療ONFH 患者目前存在的問題和未來面臨的挑戰(zhàn)，但需要更大樣本量試驗(yàn)來證實(shí)這些結(jié)論；在使用BMSCs 治療ONFH 的過程中，是采用自體干細(xì)胞還是異體干細(xì)胞不僅存在爭議而且存在倫理問題，仍需進(jìn)一步探討。

4.2 BMSCs 結(jié)合其他療法治療ONFH ONFH 是臨床常見且難以治愈的疾病，在該病發(fā)生早期難以被發(fā)現(xiàn)和診斷，當(dāng)出現(xiàn)明顯癥狀和體征時，很難逆轉(zhuǎn)疾病的發(fā)展，最終需進(jìn)行人工髖關(guān)節(jié)置換。人工髖關(guān)節(jié)置換雖然能夠在較短時間內(nèi)恢復(fù)患者的功能活動，但是人工髖關(guān)節(jié)置換的長期療效難以預(yù)測，一些患者需要再次進(jìn)行髖關(guān)節(jié)置換，增加患者的痛苦和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和臨床研究中證實(shí)，使用BMSCs 治療ONFH 有一定療效，可以促進(jìn)ONFH部位損傷修復(fù)。然而，單獨(dú)使用BMSCs 治療ONFH的效果并不明顯優(yōu)于髓芯減壓術(shù)、自體骨移植術(shù)、體外沖擊波[27]等治療方法。因此，近些年，諸多學(xué)者的研究方向開始轉(zhuǎn)向BMSCs 結(jié)合其他療法治療ONFH，這種治療思路經(jīng)臨床研究證實(shí)有較好的臨床療效。

4.2.1 BMSCs 聯(lián)合髓芯減壓術(shù)治療 ONFH Arbeloa-Gutierrez 等[28]將40 例（51 個髖關(guān)節(jié)）ONFH患者隨機(jī)分為兩組進(jìn)行治療，A 組（25 髖）行髓芯減壓術(shù)，B 組（26 髖）于髓芯減壓術(shù)后行自體BMSCs灌注。B 組患者的臨床評分和平均髖部成活率明顯優(yōu)于A 組，但是該實(shí)驗(yàn)隨訪時間短，患者人數(shù)少，需要進(jìn)一步研究更大的樣本量和更長的隨訪時間，以更好地確定BMSCs 聯(lián)合髓心減壓術(shù)治療骨壞死的效果。Tabatabaee 等[29]將18 例（28 例髖關(guān)節(jié)）早中期ONFH 患者隨機(jī)分為兩組，A 組患者行髓核減壓聯(lián)合股骨頭內(nèi)注射含BMSCs 的濃縮自體骨髓，B 組單獨(dú)行髓核減壓。所有患者的平均Harris 髖關(guān)節(jié)評分和疼痛評分均有顯著改善（P＜0.001）；MRI 顯示，A 組明顯改善（P=0.046），B 組明顯惡化（P ＜0.001）。結(jié)果表明，注射含BMSCs 的濃縮自體骨髓聯(lián)合髓芯減壓術(shù)是治療早中期ONFH 的有效方法，這種治療可以緩解患者的疼痛和改善關(guān)節(jié)功能障礙癥狀，并延緩疾病的進(jìn)展。Xu 等[30]在2016 年9 月前，在8 個綜合數(shù)據(jù)庫中檢索自體BMSCs 移植聯(lián)合髓芯減壓術(shù)治療ONFH 療效的隨機(jī)對照試驗(yàn)，進(jìn)行Meta 分析，共納入11 項(xiàng)研究，507 名受試者。結(jié)果表明，自體BMSCs 移植聯(lián)合髓芯減壓術(shù)可明顯改善Harris 髖關(guān)節(jié)評分，減少ONFH 面積，延緩疾病進(jìn)展階段的股骨頭塌陷，并減少全髖關(guān)節(jié)置換。

4.2.2 BMSCs 聯(lián)合自體骨移植治療ONFH 自體骨移植術(shù)一方面可以清除壞死病灶，阻止骨壞死進(jìn)一步發(fā)展，同時可降低骨內(nèi)壓，減輕疼痛；另一方面植入自體骨可以填充壞死病灶，給予力學(xué)支撐，防止出現(xiàn)塌陷。Wang 等[31]選取早中期ONFH 患者15 例（20 髖）作為研究對象，使用鉆頭等方法清除壞死病灶，并從同側(cè)髂骨取出自體皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨緊密地裝入已清除壞死骨區(qū)域，將BMSCs 植入壞死骨區(qū)域，隨訪2 年，患者Harris 評分增加，所有患者均未進(jìn)行髖關(guān)節(jié)置換。Kang 等[32]共納入52 例（61 髖）ONFH 患者接受自體骨移植聯(lián)合BMSCs 治療，平均隨訪68 個月（60～88 個月），疼痛評分從3.8 分提高到5.3 分，平均移動能力得分由3.8 分提高到5.1分，平均行走能力得分由4.0 分提高到5.1 分，15 髖（小病灶）臨床效果較好，20 髖（中等病灶）臨床效果一般，26 髖（大病灶）臨床效果較差，該研究結(jié)果表明，有較大病灶的患者不適合進(jìn)行頭部保留手術(shù)；對于小病灶的患者，該手術(shù)方法可以提供與其他手術(shù)相媲美的臨床療效。因此，使用該治療方法應(yīng)盡可能多地切除壞死骨，同時應(yīng)用生物細(xì)胞合并骨移植物對軟骨下區(qū)進(jìn)行結(jié)構(gòu)支撐，從而取得較為滿意的臨床效果。

4.2.3 其他方法 張波等[33]隨機(jī)選用40 只新西蘭成年兔，隨機(jī)分為模型組、富血小板血漿組、BMSCs組和富血小板血漿聯(lián)合BMSCs 組，建立成年兔NONFH 模型。使用蘇木精-伊紅染色，觀察成年兔股骨頭骨髓腔內(nèi)的病理和骨陷窩空缺率的變化情況，結(jié)果使用富血小板血漿聯(lián)合BMSCs 治療NONFH 可使骨陷窩空缺率降低、骨小梁變粗、成骨細(xì)胞增多，這表明使用富含血小板的血漿聯(lián)合BMSCs 治療早期NONFH 可能有更好的效果。張宏軍等[34]采用體外沖擊波結(jié)合自體BMSCs 移植治療ARCO 分期Ⅰ、Ⅱ期NONFH 患者40 例，隨訪12 個月和24 個月后，治療組和對照組的Harris 評分和疼痛評分之間存在顯著差異，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），提示體外沖擊波聯(lián)合自體BMSCs 移植治療早期ONFH，臨床效果顯著優(yōu)于自體BMSCs移植治療。多孔鉭（PTA）是一種細(xì)胞友好的骨再生支架材料。Fu 等[35]為探討PTA 聯(lián)合BMSCs 治療骨壞死的療效，選用19 只成年兔建立了激素性股骨頭壞死模型，BMSCs 植入PTA 后，用PCR 檢測BMSCs 中AlP、OCN、OPN、CO1I、Run2 等成骨標(biāo)志物mRNA 水平，并檢測了骨形成率（BFR）。PTA 處理的BMSCs 中ALP 和OPN 的表達(dá)顯著高于無PTA 處理的BMSCs（P＜0.05），認(rèn)為使用BMSCs 聯(lián)合PTA 治療骨壞死可能是一種有效治療NONFH的方法。

5 討論

近些年來，科研與臨床工作者對干細(xì)胞的研究逐步深入，其特有的生理特性為組織工程和再生醫(yī)學(xué)開辟了新的領(lǐng)域，為科學(xué)研究和臨床醫(yī)生提供了治療ONFH 的新思路，為患者帶來了減輕疾病疼痛的新希望。通過對ONFH 患者使用不同的BMSCs給藥方法和給藥途徑的研究，表明BMSCs 移植是一種安全的方法，它可以改善移植后患者的運(yùn)動和感覺功能，提高生活質(zhì)量，延長甚至避免人工髖關(guān)節(jié)置換。然而，使用BMSCs 治療ONFH 仍然存在一些問題：（1）諸多實(shí)驗(yàn)選用樣本數(shù)量不足，治療后隨訪時間短，難以預(yù)測長期療效；（2）有少數(shù)研究發(fā)現(xiàn)，在使用BMSCs 治療ONFH 的過程中，其臨床療效并未明顯優(yōu)于以往的治療方法，故仍需大量的動物和臨床實(shí)驗(yàn)去分析使用BMSCs 治療ONFH 是否有著顯著療效；（3）BMSCs 在臨床使用當(dāng)中如何廣泛獲取、提純及保存仍需要進(jìn)一步研究探討，這也將是制約其在臨床廣泛使用的因素之一。使用這種治療方法的目的是治療早期和中期的ONFH，并防止疾病進(jìn)展到晚期，降低人工髖關(guān)節(jié)置換率，所以早期發(fā)現(xiàn)和診斷也是使用BMSCs 治療ONFH 的關(guān)鍵。