間充質(zhì)干細(xì)胞治療骨關(guān)節(jié)炎的臨床研究進展*

唐文寶 譚洪波 周田華徐永清

骨關(guān)節(jié)炎（osteoarthritis，OA）臨床表現(xiàn)為疼痛、活動度受限、活動時捻發(fā)音、關(guān)節(jié)不穩(wěn)及腫脹等[1]。預(yù)計到2032年，45 歲以上人群中30%患有OA[2]。OA 可影響患者的肢體功能及生活質(zhì)量，在發(fā)達國家，用于OA 的治療費用可達國內(nèi)生產(chǎn)總值的2.5%[3]。

人工關(guān)節(jié)假體置換術(shù)是治療晚期OA 的金標(biāo)準(zhǔn)，但假體使用壽命有限且術(shù)后會產(chǎn)生諸多并發(fā)癥[4]。故應(yīng)注重OA 的早中期治療，理想的治療方案是改善患者的臨床癥狀并促進軟骨再生。目前，理療、輔助支具、抗炎藥物、止痛藥、透明質(zhì)酸（hyaluronic acid，HA）、糖皮質(zhì)激素、關(guān)節(jié)鏡清理術(shù)及截骨術(shù)等對癥治療并不能促進軟骨修復(fù)，不能從本質(zhì)上改善OA。富血小板血漿治療OA 機制暫未明確，其可緩解疼痛并改善關(guān)節(jié)功能，但促進軟骨再生能力欠佳。微骨折術(shù)操作簡便，創(chuàng)傷小，但其再生軟骨質(zhì)量、患者肢體功能恢復(fù)情況不如骨軟骨移植[5]。骨軟骨移植操作侵襲性強，可引起供區(qū)病變，受區(qū)軟骨表面融合欠佳，若供體來自異體，還會產(chǎn)生免疫反應(yīng)[6]。軟骨細(xì)胞移植能帶來優(yōu)良的中短期療效，但容易在體外培養(yǎng)階段無法維持自身表型，從而產(chǎn)生纖維軟骨[7]。自體及異體、多種不同組織來源的MSCs 均在治療OA 時無重大不良反應(yīng)，并有改善臨床癥狀、促進軟骨再生的巨大潛能。一些治療的組織濃縮物（如骨髓濃縮物、血管基質(zhì)成分）中含MSCs，但MSCs 數(shù)量不易控制，細(xì)胞表型不均一，實驗難以重復(fù)。而培養(yǎng)增殖后MSCs 則能克服這些缺點。

1 骨關(guān)節(jié)炎與間充質(zhì)干細(xì)胞

關(guān)節(jié)軟骨屬于透明軟骨，覆在關(guān)節(jié)表面，由少量軟骨細(xì)胞和絕大部分細(xì)胞外基質(zhì)組成，無血管和神經(jīng)通過，再生能力弱。軟骨基質(zhì)主要由Ⅱ型膠原構(gòu)成，膠原纖維網(wǎng)包裹著蛋白聚糖和糖蛋白，并為軟骨提供結(jié)構(gòu)框架和拉伸強度。關(guān)節(jié)軟骨表面光滑，可減少摩擦，并可承重和分散應(yīng)力。

諸多因素（年齡、肥胖、創(chuàng)傷、性別、畸形及遺傳等）可致關(guān)節(jié)軟骨修復(fù)與降解失衡，從而出現(xiàn)OA。OA 的發(fā)病機制較為復(fù)雜，可多因素相交叉。老年人關(guān)節(jié)軟骨水分流失、蛋白聚糖破壞，軟骨細(xì)胞衰老、減少，基質(zhì)金屬蛋白酶增多、基質(zhì)分解增強[8]。負(fù)重不當(dāng)及力學(xué)改變可致軟骨損傷。肥胖者關(guān)節(jié)負(fù)重較大。脂肪組織分泌的高劑量瘦素可將軟骨細(xì)胞抑制在生長間期，經(jīng)p53/p21 通路激活誘導(dǎo)軟骨細(xì)胞衰老；且高劑量瘦素通過雷帕霉素靶蛋白途徑高表達p62基因，降低軟骨對自噬標(biāo)志性蛋白LC-3 的表達，以抑制其自噬；生理劑量的瘦素可誘導(dǎo)OA 中高表達長形瘦素受體的軟骨細(xì)胞衰老[9]。當(dāng)關(guān)節(jié)軟骨遭到破壞，分解產(chǎn)生的細(xì)胞因子（主白細(xì)胞介素-1）、蛋白片段及應(yīng)力等通過軟骨細(xì)胞表面受體激活NF-B 信號通路，促進趨化因子、細(xì)胞因子及基質(zhì)金屬酶的表達，從而導(dǎo)致軟骨細(xì)胞凋亡，軟骨細(xì)胞外基質(zhì)降解；同時細(xì)胞因子及降解產(chǎn)物也激活滑膜細(xì)胞表面受體，產(chǎn)生滑膜炎癥[10]。關(guān)節(jié)內(nèi)淺層中軟骨祖細(xì)胞通過高遷移率族蛋白1 及晚期糖化終產(chǎn)物受體而遷徙到軟骨受損部位[11]。軟骨組細(xì)胞可高表達三磷酸腺苷結(jié)合轉(zhuǎn)運蛋白G 超家族成員2 抗體、runt 相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子2、Notch1 蛋白、基質(zhì)金屬蛋白酶，COL2A1 基因及蛋白聚糖低表達[11]。軟骨源性祖細(xì)胞能有效地再生受損軟骨，但其較高水平的趨化因子和細(xì)胞因子的表達以及過度的基質(zhì)金屬蛋白酶的產(chǎn)生可能會導(dǎo)致?lián)p傷關(guān)節(jié)的滑膜炎和軟骨變性[11]。runt 相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子2 可促進軟骨細(xì)胞肥大[12]、軟骨基質(zhì)降解及骨形成[13]。肥大軟骨細(xì)胞易形成鈣化及骨贅[10]。軟骨祖細(xì)胞可促進軟骨祖細(xì)胞可分泌基質(zhì)細(xì)胞衍生因子-1，促進周圍軟骨細(xì)胞產(chǎn)生血管內(nèi)皮生長因子[14]。新生血管分布于關(guān)節(jié)軟骨、軟骨下骨及骨贅，并伴行有交感神經(jīng)及感覺神經(jīng)[15]?？傊琌A 所涉及的因素很多，參與病程進程的因子及通路也較多，其主要表現(xiàn)為軟骨減少、滑膜炎癥、軟骨下骨重塑及骨贅形成。

MSCs源于中胚層非造血成體干細(xì)胞，存在于多種組織中（骨髓、脂肪、滑膜和臍帶等），可進行組織修復(fù)，維護其穩(wěn)態(tài)[16]。國際細(xì)胞治療協(xié)會表示，MSCs 應(yīng)具備以下特點[17]：可對塑料貼附；細(xì)胞群95%及以上細(xì)胞表達CD73、CD90、CD105分子，且小于2%的細(xì)胞表達CD34、CD45、HLA-DR、CD14/CD11b 及CD79/CD19；在體外培養(yǎng)時能分化為骨細(xì)胞、軟骨細(xì)胞及脂肪細(xì)胞。對于MSCs 治療OA 方面，更傾向于MSCs 促進軟骨修復(fù)，而非MSCs 在體內(nèi)分化為軟骨。MSCs來源的外泌體可通過增加Ⅱ型膠原和蛋白多糖等軟骨細(xì)胞標(biāo)志物的表達，減少基質(zhì)金屬蛋白酶等分解代謝標(biāo)志物及炎癥標(biāo)志物的表達，促進軟骨細(xì)胞增殖與遷徙，減少軟骨細(xì)胞凋亡，阻斷巨噬細(xì)胞活化等途徑，阻止OA 軟骨和骨降解[18]。臨床病例研究中，同種異體MSCs 誘導(dǎo)的再生軟骨細(xì)胞中只含患者DNA[19]。同種異體MSCs 并不會在受體內(nèi)產(chǎn)生免疫排斥反應(yīng)，可為老年、有基礎(chǔ)疾病患者提供細(xì)胞來源。

2 骨髓來源間充質(zhì)干細(xì)胞治療骨關(guān)節(jié)炎

盆骨、股骨、脛骨處MSCs 增殖能力和細(xì)胞表型一致，但骨盆處骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（bonemarrowderivedmesenchymal stem cells，BMMSCs）數(shù)量更多[20]。

2.1 自體骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞

自體BMMSCs 治療軟骨缺損后可發(fā)生一些局部不適反應(yīng)，但Emadedin等表示術(shù)后檢驗結(jié)果無明顯改變[21]。Wakitani等[22]最長11 余年隨訪中并未發(fā)生腫瘤。Davatchi 等[23]對Kellgren-Lawrence Ⅱ/Ⅲ期膝關(guān)節(jié)炎（knee osteoarthritis，KOA）患者進行8.0×106～9.0×106個細(xì)胞注射，在術(shù)后5年時，患者患肢功能較術(shù)后6 月時有所下降，但仍較治療前有所改善。Lamo-Espinosa 等[24]予以1.0×107BMMSCs+HA、1.0×108BMMSCs+HA、HA（對照組）治療KOA 患者，術(shù)后12 個月時，對照組活動度未見改善，而細(xì)胞治療組西安大略和麥克馬斯特大學(xué)骨關(guān)節(jié)炎指數(shù)（Osteoarthritis index at the university of Western Ontario and McMaster University，WOMAC）及視覺模擬評分（visual analogue scale，VAS）明顯改善，且高劑量組活動改善度更佳。Al-Najar 等[25]使用自體BMMSCs 治療Ⅱ/Ⅲ期KOA，術(shù)后12 個月軟骨平均厚度由術(shù)前的2.15mm增至2.45mm。

2.2 同種異體骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞

同種異體BMMSCs（4.0×107）可促進軟骨再生，并在疼痛、關(guān)節(jié)功能上較治療前顯著改善[26]。Gupta 等[27]使用較高劑量的細(xì)胞數(shù)（5.0×107、7.5×107、1.5×107）治療時容易引起不良反應(yīng)，如局部疼痛和腫脹，這可能與細(xì)胞濃度過高致細(xì)胞死亡、或高濃度細(xì)胞促炎癥反應(yīng)有關(guān)；使用較低數(shù)量（2.5×107）細(xì)胞治療時疼痛緩解效果更佳，但軟骨再生跡象不明顯。de Windt 等[19]使用同種異體BMMSCs 聯(lián)合軟骨細(xì)胞（同種異體BMMSCs∶自體軟骨細(xì)胞=9∶1/8∶2）治療2～8 mm2軟骨缺損時，術(shù)后12 個月新生軟骨覆蓋缺損處，且新生軟骨和周圍組織融合，蛋白多糖和II 型膠原濃度較高，兩種混合比例對療效無明顯影響；術(shù)后18 個月VAS 由術(shù)前（45.3±24.2）分降至（9.7±15.4）分（P＜0.01），而膝關(guān)節(jié)損傷和骨關(guān)節(jié)炎結(jié)局評分（the knee injury and osteoarthritis outcome score，KOOS）則由（57.9±16.1）分提升至（85.4±13.3）分（P＜0.01）。

3 脂肪來源間充質(zhì)干細(xì)胞治療骨關(guān)節(jié)炎

脂肪間充質(zhì)干細(xì)胞（adipose derived mesenchymal stem cells，ADMSCs）主取自腹部及臀部。人體ADMSCs 在體外培養(yǎng)過久（4～5 個月）會發(fā)生瘤變[28]。

3.1 自體脂肪間充質(zhì)干細(xì)胞

自體ADMSCs 治療KOA 時，患者WOMAC 顯著改善，未發(fā)生嚴(yán)重不良反應(yīng)[29]。聯(lián)合富含血小板血漿還可治療65歲以上KOA，并在疼痛和關(guān)節(jié)功能上明顯改善，促進軟骨再生[30]。與單純微骨折相比，微骨折聯(lián)合ADMSCs 治療可顯著改善臨床疼痛和關(guān)節(jié)功能[31-32]，且這在病變面積大于109 mm2或存在軟骨下囊腫時更為明顯[32]。以纖維蛋白為支架，聯(lián)合微骨折治療KOA，在日?；顒雍蜕钯|(zhì)量方面和微骨折治療法無明顯差異，但KOOS 及軟骨修復(fù)（Ⅱ型膠原和蛋白多糖）方面明顯更優(yōu)[33]。Pers 等[34]發(fā)現(xiàn)術(shù)后6 個月時，低劑量（2×106）更能緩解疼痛，WOMAC 也明顯改善。而Jo 等[35]表示高劑量（1.0×108）比低中劑量（1.0×107、5.0×107）在改善臨床療效方面更持久。MSCs 治療臨床疼痛和功能改善明顯優(yōu)于保守治療，單次和多次注射1.0×108細(xì)胞臨床療效無明顯差異，但多次注射組更能延緩軟骨減少[36]。

3.2 同種異體脂肪間充質(zhì)干細(xì)胞骨關(guān)節(jié)炎

Kuah 等[37]使用同種異體ADMSCs 在治療KOA 時，所有患者均有輕微不良反應(yīng)（如關(guān)節(jié)痛、關(guān)節(jié)積液級關(guān)節(jié)僵硬等）。細(xì)胞治療組（3.9×106～6.7×106）VAS 均有明顯改善，而安慰劑組改善不明顯。術(shù)后12 個月，細(xì)胞數(shù)量為3.9×106組在阻止軟骨減少方面明顯優(yōu)于高劑量組和安慰劑組。Song等[38]使用同種異體ADMSCs 注射治療KOA，并隨訪96周，患者接受劑量為5.0×107時關(guān)節(jié)功能、疼痛和軟骨情況改善情況比1.0×107及2.0×107組更佳。

4 其他來源間充質(zhì)干細(xì)胞治療骨關(guān)節(jié)炎

滑膜MSCs 和骨髓/脂肪MSCs 相比，體外軟骨形成能力更強[39]，且軟骨分化表型穩(wěn)定[40]。Akgun 等[41]使用滑膜MSCs（治療組）和軟骨細(xì)胞（對照組）聯(lián)合Ⅰ/Ⅲ型膠原膜（并以纖維蛋白固定）治療膝關(guān)節(jié)軟骨缺損大于2 cm2患者，并進行為期2 年的隨訪。術(shù)后未發(fā)現(xiàn)感染、血栓、關(guān)節(jié)纖維化及移植物丟失等并發(fā)癥。兩組患者術(shù)后膝關(guān)節(jié)屈、伸及直腿抬高方面均有明顯改善，但治療組顯著更優(yōu)，KOOS 評分中疼痛、癥狀、日常生活活動及運動方面主觀亞量表評分明顯更好。

臍帶MSCs 來源于臍帶（華通膠或者臍靜脈血），獲取細(xì)胞過程無創(chuàng)，涉及倫理相對較少；畸胎瘤風(fēng)險低，可多向分化[42]。王亞莉等[43]使用臍帶MSCs 治療膝關(guān)節(jié)軟骨缺損（治療組），在術(shù)后2～6 個月的隨訪中，Lysholm 評分、WOMAC 均明顯改善，雖和HA 組（對照組）無差異，治療后6 個月時膝關(guān)節(jié)磁共振提示治療組軟骨有一定程度修復(fù)。Park 等[44]使用臍帶MSCs（1.1×107～2.0×107）結(jié)合HA，在微骨折條件下治療7 例KOA，和術(shù)前比較，術(shù)后24周VAS 由49.1 分降至19.3 分（P＜0.05）、國際膝關(guān)節(jié)委員會評分由39.1 分升至63.2 分，并在7 年隨訪間評分無明顯改變。術(shù)后1 年行關(guān)節(jié)鏡檢查提示軟骨缺損處形成近似天然透明軟骨，表面光滑、與周圍軟骨融合度佳；術(shù)后3 年磁共振成像提示粘多糖顯著增多。

KhalifehSoltani 等[45]將20 例KOA 患者平均分為兩組，并向試驗組患者關(guān)節(jié)腔內(nèi)注射同種異體胎盤MSCs（5.0×107～6.0×107），4 例患者出現(xiàn)輕微局部疼痛和積液，但2～3d 內(nèi)消退。試驗組術(shù)前平均關(guān)節(jié)活動度81.0°，術(shù)后2、8、24 周時分別提升為86.7°、117.3°、113.1°（P＜0.05），術(shù)后24 周時軟骨厚度已有所改善。但疼痛未見改善，且和對照組（注射生理鹽水）無明顯差異。隨訪中對照組在關(guān)節(jié)活動度及軟骨再生方面較術(shù)前無明顯改善。

5 總結(jié)與展望

臨床上多種MSCs 治療OA 安全系數(shù)高，可有效改善臨床癥狀或促進軟骨再生。但目前研究大多隨訪時間短、樣本量少，隨機對照實驗少，且無強力推薦使用證據(jù)。治療最佳劑量、細(xì)胞種類、植入方式及形式，療效持久性等問題均有待優(yōu)化。高齡、高體重指數(shù)、大面積缺損及中重度OA 也是MSCs 療法所需面對的難題。軟骨修復(fù)MSCs 療法，涉及領(lǐng)域和學(xué)科廣泛，需多個學(xué)科密切合作促其成熟，以期給眾多OA 患者帶來福音。