骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞治療股骨頭壞死的研究進(jìn)展

謝志鴻 彭吾訓(xùn)

1貴州醫(yī)科大學(xué)（貴陽550004）；2貴州醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院骨科（貴陽550004）

股骨頭壞死（osteonecrosis of femoral head，ONFH），又稱股骨頭缺血性壞死，是一種多因素致殘性疾病，是造成青壯年致殘的最常見疾病之一。在國內(nèi)，每年新增ONFH 病例數(shù)高達(dá)約20 萬例，給社會(huì)和無數(shù)家庭造成巨大的負(fù)擔(dān)［1］。根據(jù)致病因素，ONFH 分成兩類：創(chuàng)傷性股骨頭壞死和非創(chuàng)傷性股骨頭壞死。創(chuàng)傷性股骨頭壞死的常見誘因?yàn)檐嚨渹?、意外摔傷?］；非創(chuàng)傷性股骨頭壞死的常見誘因?yàn)殚L期大量酗酒、使用過量激素，較少見的誘因還包括有鐮刀細(xì)胞性貧血、減壓病、高脂血癥、凝血功能異常等［3］。目前關(guān)于ONFH 的發(fā)病機(jī)制尚未完全清楚，主要有骨內(nèi)壓增高靜脈淤滯學(xué)說、脂肪栓塞學(xué)說、微血管損傷學(xué)說、激素細(xì)胞毒性作用學(xué)說等［4］。較為公認(rèn)的病理過程是上述原因都會(huì)導(dǎo)致股骨頭的血液供應(yīng)中斷，導(dǎo)致骨細(xì)胞和骨髓成分壞死，繼而導(dǎo)致骨壞死修復(fù)能力喪失，最終造成骨結(jié)構(gòu)的改變，即股骨頭的塌陷。由于ONFH的晚期難以實(shí)現(xiàn)保髖成功，如果能在ONFH 的早期及時(shí)進(jìn)行干預(yù)，對(duì)于降低髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)率，提高患者生活質(zhì)量至關(guān)重要。當(dāng)前ONFH 的診療主要根據(jù)ARCO 分期及患者自身情況決定，對(duì)于ARCO 分期為Ⅰ、Ⅱ期患者，主要采用制動(dòng)與適當(dāng)牽引、藥物治療、髓芯減壓術(shù)、截骨術(shù)、帶或不帶血管的自體骨移植等方法，旨在減輕疼痛，延緩壞死的發(fā)生；對(duì)于Ⅲ、Ⅳ期股骨頭塌陷明顯的患者，往往采用人工髖關(guān)節(jié)置換術(shù)來解決患者髖部疼痛癥狀和下肢跛行問題［5-6］。隨著干細(xì)胞醫(yī)學(xué)的不斷發(fā)展成熟，造血干細(xì)胞和間充質(zhì)干細(xì)胞已逐步在臨床上應(yīng)用。由于骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs）免疫原性低、易于培養(yǎng)擴(kuò)增、具有多向分化潛能等優(yōu)點(diǎn)，使用BMSCs治療ONFH 已經(jīng)成為了基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)及臨床試驗(yàn)的研究熱點(diǎn)。本文對(duì)BMSCs 治療ONFH 的相關(guān)研究進(jìn)行如下綜述。

1 BMSCs 概述

骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞又稱骨髓基質(zhì)干細(xì)胞，是FRIEDENSTEIN 等從骨髓組織中分離出來的一種來源于中胚層的細(xì)胞亞群，形態(tài)上呈長梭形、紡錘形，它可以分化為骨骼、軟骨或肌肉等器官和組織［7］。除骨髓外，BMSCs 還可以從脂肪組織、滑膜組織和臍帶血等多種來源中分離出來［8］，目前大多數(shù)研究中BMSCs 的來源仍是骨髓組織。BMSCs 易于分離培養(yǎng)，在體外實(shí)驗(yàn)中，研究人員常通過提取兔或者鼠的股骨及脛骨的骨髓來分離培養(yǎng)BMSCs［9］，在臨床上，手術(shù)醫(yī)生通過在髂骨翼抽取骨髓組織來分離BMSCs；BMSCs 可以多向分化，在條件培養(yǎng)基中，BMSCs 可以向成骨、成軟骨及成脂方向分化；BMSCs 還具有分泌功能，例如它可以分泌胰島素樣生長因子（insulin like growth factor-1，IGF-1）、血管內(nèi)皮生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）、白介素6（interleukin- 6）、基質(zhì)細(xì)胞衍生因子1 等細(xì)胞因子（stromal cell-derived factor-1α，SDF-1α）［10-13］。

2 BMSCs 治療ONFH 的方式

2.1 髓芯減壓術(shù)結(jié)合干細(xì)胞移植在ONFH 的發(fā)生發(fā)展過程中，骨髓腔壓力升高已被證實(shí)是引發(fā)骨組織成分壞死的原因之一，髓芯減壓術(shù)是在影像系統(tǒng)輔助定位下采用克氏針朝股骨頭壞死區(qū)鉆孔，其原理是通過在一定程度上降低壞死區(qū)的骨內(nèi)高壓，同時(shí)經(jīng)過髓芯減壓鉆孔后，可以清除壞死骨組織，為新生骨的形成創(chuàng)造有利的局部微環(huán)境。隨著研究人員對(duì)BMSCs 的研究不斷深入，以及考慮到BMSCs 在骨組織工程方面的良好生物學(xué)特性，BMSCs 移植與髓芯減壓聯(lián)合治療ONFH的方法正在不斷的衍生出來。在髓芯減壓清除骨壞死病灶后，將各種方法收集得到的干細(xì)胞植入骨壞死部位。WANG 等［14］Meta 分析表明，與單純髓芯減壓術(shù)相比，BMSCs 移植聯(lián)合髓芯減壓術(shù)對(duì)壞死區(qū)的骨修復(fù)效果明顯，并且可以降低遠(yuǎn)期髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)率。WU等［15］對(duì)30例ONFH患者進(jìn)行臨床試驗(yàn)，通過測(cè)量患者術(shù)前-術(shù)后Harris 髖關(guān)節(jié)評(píng)分（HHS）及骨壞死修復(fù)效果的差異，術(shù)后隨訪9個(gè)月，觀察到BMSCs 聯(lián)合髓芯減壓表現(xiàn)出了明顯的效果，發(fā)現(xiàn)骨壞死修復(fù)率以及成骨分化的有關(guān)指標(biāo)均升高。李磊等［16］通過對(duì)48 只新西蘭白兔進(jìn)行動(dòng)物試驗(yàn)，對(duì)比髓芯減壓術(shù)與BMSCs 聯(lián)合髓芯減壓術(shù)治療ONFH 的差別，通過測(cè)量空骨陷窩率、骨小梁面積比及成脂相關(guān)指標(biāo)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)BMSCs聯(lián)合髓芯減壓治療組，空骨陷窩率及骨小梁面積比均高于單純的髓芯減壓組，證實(shí)了BMSCs 聯(lián)合髓芯減壓對(duì)ONFH 的療效。劉江鋒等［17］對(duì)68 例ONFH 患者進(jìn)行髓芯減壓聯(lián)合BMSCs 治療，術(shù)后進(jìn)行隨訪，隨訪的結(jié)果提示若能在ONFH 早期采用該手段治療，股骨頭塌陷率和髖關(guān)節(jié)置換率明顯降低。該研究發(fā)現(xiàn)髓芯減壓術(shù)聯(lián)合干細(xì)胞移植術(shù)結(jié)合了減壓術(shù)及干細(xì)胞兩者的優(yōu)點(diǎn)，與單純減壓術(shù)及其他保守治療的術(shù)式相比，它可以明顯延緩股骨頭壞死的發(fā)展，降低中遠(yuǎn)期髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)率。

2.2 血管介入結(jié)合干細(xì)胞治療股骨頭的局部血供中斷導(dǎo)致的微循環(huán)障礙是發(fā)生骨壞死的重要病理過程。通過血管介入的方式，可以適當(dāng)改善微循環(huán)障礙，為骨壞死的修復(fù)以及新骨的形成提供有利的局部微環(huán)境。CAI 等［18］采用血管介入方式將BMSCs 注入旋股內(nèi)側(cè)動(dòng)脈，術(shù)后在不同時(shí)間點(diǎn)采用Harris 疼痛評(píng)分和關(guān)節(jié)功能評(píng)分評(píng)價(jià)療效，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Harris 評(píng)分較術(shù)前顯著升高，髖關(guān)節(jié)疼痛緩解明顯，步行距離明顯延長。MAO 等［19］收集62 例ONFH 患者，從患者髂嵴處抽取骨髓分離出BMSCs，然后在數(shù)字減影技術(shù)下將干細(xì)胞經(jīng)旋股內(nèi)側(cè)動(dòng)脈注入股骨頭，術(shù)后隨訪5年，采用Harris髖關(guān)節(jié)評(píng)分評(píng)價(jià)對(duì)骨壞死的改善效果，術(shù)后髖關(guān)節(jié)功能改善明顯，能夠明顯延緩ONFH 的發(fā)展。CHEN 等［20］收集臍帶血來源的BMSCs，將干細(xì)胞注入患者的股動(dòng)脈，術(shù)后進(jìn)行隨訪，結(jié)果發(fā)現(xiàn)術(shù)后3 個(gè)月結(jié)束時(shí)HHS 評(píng)分開始增加，1年時(shí)升高最明顯，但2年時(shí)較術(shù)前下降10%，此外骨壞死體積分析顯示骨壞死體積隨著術(shù)后時(shí)間的延長不斷減少。這幾項(xiàng)研究都表明經(jīng)動(dòng)脈注入干細(xì)胞是治療ONFH 的一種有效方法，同時(shí)也表明，BMSCs 可以有效的作用于局部壞死區(qū)域。

2.3 生物支架材料結(jié)合干細(xì)胞治療股骨頭壞死區(qū)的重建一直以來是臨床上的難題，隨著骨組織工程學(xué)的快速發(fā)展，結(jié)合干細(xì)胞來源廣、易分離培養(yǎng)、具有強(qiáng)大的分化潛能及擴(kuò)增能力等優(yōu)點(diǎn)，將干細(xì)胞在體外與生物支架材料復(fù)合培養(yǎng)，然后將復(fù)合支架移植到骨壞死區(qū)，對(duì)壞死區(qū)進(jìn)行重建的方法已逐步應(yīng)用于臨床。BMSCs 聯(lián)合支架材料治療ONFH 的原理是利用它可以向成骨方向分化促進(jìn)骨壞死的修復(fù)重建。支架材料的應(yīng)用需要具備良好的生物相容性、適當(dāng)?shù)目山到庑?、一定的孔隙結(jié)構(gòu)、適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度，甚至還應(yīng)有良好的骨傳導(dǎo)骨誘導(dǎo)功能。目前常見的支架材料有多孔鉭棒、磷酸鈣陶瓷、羥基磷灰石等。WANG 等［21］在實(shí)驗(yàn)中將磷酸鈣陶瓷支架和BMSCs 復(fù)合培養(yǎng)，觀察到成骨相關(guān)基因表達(dá)上調(diào)，堿性磷酸酶活性增加，骨鈣素水平升高，將該支架與干細(xì)胞復(fù)合培養(yǎng)后植入體內(nèi)出現(xiàn)了新骨形成。LI 等［22］制備了一種多孔明膠/納米羥基磷灰石/明膠微球復(fù)合支架，與BMSCs 復(fù)合培養(yǎng)后，移植入股骨頭中，結(jié)果表明，在體外實(shí)驗(yàn)中，該支架提高了干細(xì)胞的活力，上調(diào)了成骨有關(guān)基因的表達(dá)，在體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中，復(fù)合支架促進(jìn)了激素性股骨頭壞死模型中骨缺損區(qū)的骨形成，表明對(duì)股骨頭壞死的修復(fù)起到了一定作用。ZHANG等［23］制備了一種含聚乳酸-羥基乙酸微球的新型磷酸鈣支架，將BMSCs 與該支架復(fù)合培養(yǎng)后植入股骨頭壞死區(qū)，術(shù)后進(jìn)行X 線分析及組織學(xué)檢查，觀察到壞死區(qū)骨小梁數(shù)目明顯增加，壞死區(qū)周圍新生血管密度也顯著增加，提示該復(fù)合支架在體內(nèi)具有良好的生物相容性，并且可以促進(jìn)體內(nèi)成骨。

2.4 基因轉(zhuǎn)染干細(xì)胞治療研究表明股骨頭壞死區(qū)成骨細(xì)胞數(shù)量減少、活性下降，以及血管內(nèi)皮細(xì)胞功能障礙［24-26］。若能改善成骨及成血管功能，對(duì)于股骨頭壞死區(qū)的損傷修復(fù)可以起到很大的幫助，而基因轉(zhuǎn)染BMSCs 正是利用了這個(gè)原理。目前已發(fā)現(xiàn)許多與成骨或成血管有關(guān)的細(xì)胞因子，如VEGF、SDF-1α、骨形態(tài)發(fā)生蛋白（bone morphogenetic protein，BMP）、堿性成纖維細(xì)胞生長因子（fibroblast growth factor-2，F(xiàn)GF-2）等。YANG 等［27］將表達(dá)SDF-1α的慢病毒載體導(dǎo)入BMSCs 治療激素性股骨頭壞死模型時(shí)發(fā)現(xiàn)，SDF-1α過表達(dá)促進(jìn)了BMSCs 的成骨分化，使成骨相關(guān)蛋白顯著上調(diào)，經(jīng)Micro-CT 檢查觀察到股骨頭壞死區(qū)的骨密度值明顯升高，血管造影技術(shù)觀察到血管生成指標(biāo)CD31 顯著升高。LIAO 等［28］使用BMP2 和VEGF 共轉(zhuǎn)染BMSCs 搭載在仿生支架上植入小鼠體內(nèi)，術(shù)后4 周進(jìn)行組織學(xué)及免疫組化分析評(píng)估療效，觀察到種植體上出現(xiàn)新生毛細(xì)血管及新生骨的形成。ZHANG 等［29］將FGF-2 轉(zhuǎn)染BMSCs 后治療大鼠激素性股骨頭壞死模型，觀察到成骨相關(guān)指標(biāo)、血管密度、新生骨形成明顯較對(duì)照組明顯升高。這些研究表明基因轉(zhuǎn)染BMSCs 治療股骨頭壞死是一項(xiàng)很有前景的治療方法，但目前這類研究集中于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，能否應(yīng)用ONFH 患者仍需要進(jìn)一步的研究。

3 總結(jié)與展望

盡管ONFH 的發(fā)病機(jī)理尚未闡明，但有研究提示ONFH 的發(fā)生發(fā)展和BMSCs 的活性被破壞及數(shù)量減少有密切關(guān)系［30］。目前大多數(shù)保髖治療措施主要集中在ARCO 分期的Ⅰ、Ⅱ期，而當(dāng)ONFH患者的股骨頭形態(tài)出現(xiàn)塌陷后，無法再采取保髖治療措施，只能選擇髖關(guān)節(jié)置換術(shù)治療。

近些年以來，干細(xì)胞醫(yī)學(xué)、骨組織工程學(xué)、基因治療技術(shù)迅速發(fā)展，BMSCs 治療ONFH 的研究在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)及臨床中已經(jīng)在廣泛開展。將BMSCs應(yīng)用于股骨頭壞死的各類治療方法都觀察到了一定的效果，例如促進(jìn)BMSCs 的成骨分化、抑制BMSCs 的成脂分化、促進(jìn)骨壞死區(qū)的血管形成、新骨形成。但是在BMSCs 治療ONFH 目前仍存在較多難題：（1）干細(xì)胞的來源和數(shù)量問題，髓芯減壓術(shù)結(jié)合BMSCs 治療ONFH 中的干細(xì)胞是從髂骨翼提取分離的，髂骨翼上能夠提供的干細(xì)胞數(shù)目，以及股骨頭壞死部位需要多少數(shù)量的干細(xì)胞才能達(dá)到修復(fù)的效果尚未明確；（2）干細(xì)胞的質(zhì)量問題，由于股骨頭壞死發(fā)生發(fā)展過程中，損傷因素長期存在，那么ONFH 患者自身來源的BMSCs 活性容易受損；（3）在血管介入灌注BMSCs 的治療過程中存在干細(xì)胞丟失的問題，在股動(dòng)脈或者旋股內(nèi)側(cè)動(dòng)脈進(jìn)行灌注時(shí)，能到達(dá)壞死區(qū)的干細(xì)胞的效率；（4）干細(xì)胞的存活率問題，體外實(shí)驗(yàn)中干細(xì)胞的生長環(huán)境不同于骨壞死區(qū)，干細(xì)胞移植到壞死區(qū)后由于局部微環(huán)境的不同，是否仍能大量存活；（5）安全性問題，干細(xì)胞植入人體后，持續(xù)增殖，是否產(chǎn)生致癌作用。若將基因轉(zhuǎn)染后的干細(xì)胞植入人體，該基因是否會(huì)影響人體其他損傷修復(fù)的分子信號(hào)通路，從而影響人體安全，增加其他疾病發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，甚至出現(xiàn)遺傳改變。

盡管當(dāng)前在干細(xì)胞治療股骨頭壞死的領(lǐng)域中出現(xiàn)了一些問題，但仍應(yīng)肯定近年來，干細(xì)胞治療股骨壞死的相關(guān)研究已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)步。在未來，需要更多的基礎(chǔ)研究和臨床試驗(yàn)去探尋BMSCs 在治療股骨頭壞死中發(fā)生作用的分子機(jī)制，尋找干細(xì)胞的理想來源以及解決其安全性問題。相信隨著細(xì)胞生物學(xué)、分子生物學(xué)以及組織工程技術(shù)的深入發(fā)展，BMSCs 有望為ONFH 的治療提供新的見解和思路。