李澤琴,楊佳明,高峰,陳婧,葉花,王茂源,5
1 贛南醫(yī)學(xué)院康復(fù)學(xué)院,江西贛州 341000;2 贛南醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院康復(fù)醫(yī)學(xué)科;3 中國(guó)康復(fù)研究中心北京博愛(ài)醫(yī)院;4 首都醫(yī)科大學(xué)康復(fù)醫(yī)學(xué)院;5 贛州市康復(fù)醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
骨關(guān)節(jié)炎(OA)是一種以關(guān)節(jié)軟骨損傷為主的與衰老相關(guān)的慢性退行性疾病,可引起受累人群關(guān)節(jié)疼痛、關(guān)節(jié)功能下降,嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致患者軀體殘疾,生活質(zhì)量降低。流行病學(xué)調(diào)查顯示,癥狀性O(shè)A患者數(shù)量從1990年至2017年增加了3.5倍[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì),全球超過(guò)5億人患有OA,治療OA相關(guān)的醫(yī)療費(fèi)用巨大[2]。隨著老齡化加劇,數(shù)量逐年增加的OA患者會(huì)給社會(huì)帶來(lái)更加沉重的負(fù)擔(dān)。臨床對(duì)OA的治療主要包括藥物治療[3-4]和非藥物治療[5]。當(dāng)前臨床主要是對(duì)癥治療,并不能促進(jìn)骨和軟骨再生。此外,藥物的長(zhǎng)期服用會(huì)產(chǎn)生一定不良反應(yīng),對(duì)患者的心血管功能產(chǎn)生影響[6]。非藥物治療中的物理因子治療、運(yùn)動(dòng)治療的周期較長(zhǎng),常作為輔助性治療;手術(shù)治療(如關(guān)節(jié)置換術(shù))對(duì)OA患者產(chǎn)生創(chuàng)傷較大,恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng),且會(huì)限制關(guān)節(jié)的活動(dòng)度及功能(髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后患者髖關(guān)節(jié)不能過(guò)度屈曲、內(nèi)收內(nèi)旋等動(dòng)作)[5]。間充質(zhì)干細(xì)胞(MSCs)作為一種多能干細(xì)胞,具有自我更新、增殖能力強(qiáng)、能多向分化等特征。研究表明,MSCs廣泛分布于骨髓、脂肪、臍帶、滑膜等組織中,能誘導(dǎo)分化為成骨、軟骨、脂肪和肌細(xì)胞等[7]。MSCs能通過(guò)分泌外泌體、生長(zhǎng)因子、細(xì)胞因子、抗炎因子和其他生物活性分子來(lái)改善局部微環(huán)境[8],通過(guò)促進(jìn)促凋亡和抗凋亡分子、促血管生成和抗血管生成因子及促炎癥和抗炎癥因子之間的平衡,從而提高軟骨細(xì)胞的活力和軟骨糖胺聚糖含量,發(fā)揮免疫調(diào)節(jié)和抗炎特性,從而緩解OA的關(guān)節(jié)變性[9]。細(xì)胞外囊泡是細(xì)胞傳輸中的重要介質(zhì),MSCs主要是通過(guò)旁分泌作用以細(xì)胞外囊泡的形式完成細(xì)胞與細(xì)胞間的物質(zhì)交換和信號(hào)傳導(dǎo)。細(xì)胞外囊泡依據(jù)直徑大小和釋放方式不同又主要分為外泌體、微泡、凋亡小體三種[10]。在特定情況下培養(yǎng)的MSCs具有分化為骨、軟骨的能力,促進(jìn)骨與軟骨再生,并抑制炎癥,為OA的治療帶來(lái)新希望[7]?,F(xiàn)就MSCs促進(jìn)軟骨修復(fù)治療骨關(guān)節(jié)炎的機(jī)制及應(yīng)用進(jìn)展情況綜述如下。
MSCs在細(xì)胞再生方面表現(xiàn)出較好的潛力,但在調(diào)控靶細(xì)胞中的作用機(jī)制較復(fù)雜。OA的病因復(fù)雜,研究發(fā)現(xiàn)其發(fā)生與年齡、性別、體質(zhì)量指數(shù)、遺傳易感性、生物節(jié)律改變等有關(guān)[11]。綜合OA的發(fā)病原因和MSCs的生物學(xué)特性,MSCs治療OA的作用機(jī)制可能主要與自噬、細(xì)胞凋亡、促炎細(xì)胞因子、免疫調(diào)節(jié)等有關(guān)。在OA發(fā)生過(guò)程中,自噬和凋亡同時(shí)發(fā)生,且兩者之間的關(guān)系復(fù)雜。自噬保護(hù)軟骨細(xì)胞免受細(xì)胞凋亡,這可能與軟骨分化有關(guān),而MSCs可通過(guò)增強(qiáng)自噬,減少軟骨細(xì)胞凋亡,調(diào)節(jié)軟骨基質(zhì)的酶來(lái)延緩OA進(jìn)展[12]。另外,MSCs通過(guò)分泌轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β、血管生成因子、胰島素生長(zhǎng)因子1、成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子1和成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子2等因子來(lái)發(fā)揮抗凋亡作用[13]。在OA發(fā)生過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量炎性因子,而MSCs能降低腫瘤壞死因子-α(TNF-α)、白細(xì)胞介素-1、白細(xì)胞介素-6等促炎因子表達(dá),并增加抗炎介質(zhì)產(chǎn)生[14]。在MSCs所抑制的促炎因子中,TNF-α和白細(xì)胞介素-1β會(huì)引起軟骨變性,使軟骨細(xì)胞死亡和軟骨基質(zhì)降解增加,同時(shí)軟骨的合成與再生會(huì)受抑,而M1巨噬細(xì)胞常傾向于釋放這種促炎因子[15]。與M1相比,M2巨噬細(xì)胞能分泌白細(xì)胞介素-10、白細(xì)胞介素-1受體拮抗劑、趨化因子等抗炎因子,以及轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β和胰島素生長(zhǎng)因子等促軟骨細(xì)胞因子,具有抗炎作用并誘導(dǎo)軟骨細(xì)胞的增殖,從而促進(jìn)軟骨修復(fù)。MSCs可使指示基因的表達(dá)由M1向M2過(guò)渡,促進(jìn)巨噬細(xì)胞極化為M2表型,使巨噬細(xì)胞能表現(xiàn)出抗炎特性,并上調(diào)CD206、增加白細(xì)胞介素-10的合成、減少白細(xì)胞介素-1β的分泌,通過(guò)多種細(xì)胞類型的協(xié)調(diào)和有效激活來(lái)實(shí)現(xiàn)有效的軟骨再生[16]。
SHOUKRIE等[17]研究發(fā)現(xiàn),關(guān)節(jié)內(nèi)注射MSCs可在短時(shí)間內(nèi)減輕膝骨關(guān)節(jié)炎患者的疼痛并增強(qiáng)其功能,保護(hù)軟骨并減緩關(guān)節(jié)軟骨的惡化,說(shuō)明MSCs治療OA有效,雖然部分患者有輕微不適(膝關(guān)節(jié)疼痛、腫脹等),但總體來(lái)說(shuō)MSCs是一種較安全的治療方式。基于多能干細(xì)胞強(qiáng)大的增殖和分化能力,不同來(lái)源和類型的MSCs表現(xiàn)為不同特性,在治療OA促進(jìn)骨再生中的療效不盡相同。
2.1 骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(BMSCs) BMSCs主要從骨髓中提取出來(lái),因其再生能力強(qiáng),并具有成骨和成軟骨潛能,使得BMSCs在治療骨關(guān)節(jié)炎上的效果廣受關(guān)注。研究表明,BMSCs是骨組織工程和再生醫(yī)學(xué)應(yīng)用中金標(biāo)準(zhǔn)的細(xì)胞群[18]。不僅如此,BMSCs還有抗炎和免疫調(diào)節(jié)作用,注射BMSCs后,促炎因子白細(xì)胞介素-12、p40水平降低,促炎單核細(xì)胞、巨噬細(xì)胞亞群減少,起到降低OA患者滑膜炎癥的作用,從而改善晚期膝關(guān)節(jié)OA患者的被動(dòng)關(guān)節(jié)活動(dòng)度[19]。值得注意的是,來(lái)自相同部位,但使用不同方法采集的BMSCs治療OA時(shí)效果差異較大。SIVASUBRAMANIYAN等[20]發(fā)現(xiàn),通過(guò)刮取法獲得的BMSCs與抽吸法獲得的相比,前者群體倍增時(shí)間短,有更多的集落形成BMSCs,且形成的軟骨更多??梢?jiàn),提取方式不同會(huì)導(dǎo)致提取的細(xì)胞所在部位的空間位置發(fā)生改變,從而使細(xì)胞表現(xiàn)出不同特性。我們可根據(jù)所需,選擇合適的細(xì)胞提取方法。雖然BMSCs被應(yīng)用為組織工程和再生醫(yī)學(xué)中的理想種子細(xì)胞,但其提取需進(jìn)行骨髓穿刺等侵入性手術(shù),在實(shí)際應(yīng)用中受限。
2.2 脂肪間充質(zhì)干細(xì)胞(AD-MSCs) AD-MSCs普遍來(lái)源于脂肪,具有來(lái)源豐富、易于采集、創(chuàng)傷小、并發(fā)癥發(fā)生率低、增殖潛能較高等特點(diǎn)[21]。AD-MSCs同樣具備多向分化潛能,具有分化為脂肪細(xì)胞和骨細(xì)胞的能力。雖然AD-MSCs的軟骨修復(fù)性不如BMSCs,但AD-MSCs顯示出更強(qiáng)免疫調(diào)節(jié)潛力,可誘導(dǎo)免疫細(xì)胞向關(guān)節(jié)中的抗炎表型轉(zhuǎn)變[22]。另外,脂肪組織中的干細(xì)胞已被證明比骨髓中多500倍左右,AD-MSCs在培養(yǎng)中易快速擴(kuò)增,傳代較高的細(xì)胞仍能保持干細(xì)胞表型和多能特性[23]。不僅如此,還能減少軟骨細(xì)胞的肥大和去分化,抑制滑膜增厚,保護(hù)關(guān)節(jié)不受破壞,進(jìn)而延緩OA的發(fā)生與進(jìn)展[24]。因此,AD-MSCs被認(rèn)為是治療OA和軟骨損傷的理想候選者。
2.3 臍帶血間充質(zhì)干細(xì)胞(UCB-MSCs) UCB-MSCs因其易獲取、增殖和分化能力強(qiáng)、致瘤性低、表型穩(wěn)定、免疫調(diào)節(jié)活性高等特點(diǎn),在OA治療中備受關(guān)注[25]。UCB-MSCs可通過(guò)下調(diào)軟骨降解酶表達(dá),抑制關(guān)節(jié)軟骨的降解,刺激損傷軟骨細(xì)胞的增殖,防止軟骨退變;通過(guò)抑制促炎細(xì)胞因子TNF-α和白細(xì)胞介素-1β的表達(dá)和促進(jìn)抗炎因子TNF-α刺激蛋白-6和白細(xì)胞介素-1受體拮抗劑的表達(dá)來(lái)減輕炎癥反應(yīng),保護(hù)關(guān)節(jié)軟骨免受損傷[26]。另外,UCB-MSCs來(lái)源的外泌體可抑制由白細(xì)胞介素-1β誘導(dǎo)的OA軟骨細(xì)胞凋亡,有效抑制炎癥,并通過(guò)傳遞miRNA和關(guān)鍵蛋白來(lái)調(diào)控M2巨噬細(xì)胞極化的PI3K/Akt信號(hào)通路,達(dá)到減少炎癥的目的,繼而有效控制OA的發(fā)展[27]。不僅如此,UCB-MSCs還能分泌大量耐受因子,包括白細(xì)胞介素-10和轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β1,且很少?gòu)耐N異體T細(xì)胞中產(chǎn)生體外免疫反應(yīng),說(shuō)明UCB-MSCs免疫原性低,且免疫調(diào)節(jié)特性良好[28]。多數(shù)成人同種異體的MSCs在移植中可能會(huì)產(chǎn)生諸多風(fēng)險(xiǎn),如宿主排斥、免疫反應(yīng)、致瘤性等,但UCB-MSCs在這些方面有較好表現(xiàn),因此獲得更多關(guān)注。
2.4 滑膜間質(zhì)干細(xì)胞(SMSCs) MSCs為軟骨損傷修復(fù)帶來(lái)希望,而相對(duì)不同來(lái)源的MSCs,SMCSs具有更好的成骨和軟骨分化潛力,在軟骨修復(fù)方面,SMSCs具有更大的利用價(jià)值。與其他來(lái)源的MSCs相比,SMCSs不僅具有更大的成軟骨分化潛力,而且還有易獲得、高增殖率、低免疫原性等優(yōu)勢(shì)[29]。SMSCs和UCB-MSCs雖均為長(zhǎng)梭形貼壁細(xì)胞,但UCB-MSCs有更強(qiáng)增殖和遷移能力,而SMSCs擁有更強(qiáng)早期成骨和軟骨修復(fù)能力[30]。不僅如此,與AD-MSCs相比,SMSCs不僅具有與其相同的成脂潛能,而且還具有更高集落形成效率、增殖潛能、成骨和成軟骨潛能,并且其分化能力與供體年齡無(wú)關(guān),因?yàn)閺牟煌挲g供體的纖維滑膜和脂肪滑膜中收獲的細(xì)胞表現(xiàn)出相似的自我更新和分化能力[31]。BMSCs、AD-MSCs、UCB-MSCs的增殖能力、成骨與軟骨形成潛力、免疫調(diào)節(jié)能力等隨著供體年齡增加而降低,而自體MSCs在鎮(zhèn)痛、骨再生、緩解OA癥狀等方面優(yōu)于同種異體MSCs[32]。可見(jiàn),相比其他來(lái)源的MSCs,SMSCs在供體年齡選擇方面有更大優(yōu)勢(shì),能避免老年患者自體移植MSCs治療OA時(shí),因年齡大而影響軟骨形成和增殖潛能等。
外泌體是各種旁分泌的中間介質(zhì),在細(xì)胞間通訊中起不可或缺的作用。由于其沒(méi)有細(xì)胞結(jié)構(gòu),沒(méi)有代謝,因此,具有較高的穩(wěn)定性,對(duì)所干預(yù)的環(huán)境沒(méi)有影響,不會(huì)在分化過(guò)程中形成腫瘤[33]。MSCs衍生的外泌體有MSCs類似的生物學(xué)特性,如抗炎和免疫調(diào)節(jié)特性,炎癥與OA的進(jìn)展密切相關(guān),外泌體中的miRNA可介導(dǎo)細(xì)胞間通訊和基因調(diào)控,包括軟骨形成及變性,有利于控制關(guān)節(jié)炎癥,延緩OA進(jìn)展,被認(rèn)為是MSCs無(wú)細(xì)胞治療OA的理想替代品[34]。外泌體miR-92a-3p通過(guò)靶向WNT5A mRNA,可促進(jìn)成軟骨細(xì)胞增殖分化,降低軟骨降解的作用,并激活基質(zhì)金屬蛋白酶,減少軟骨形成后期軟骨細(xì)胞外基質(zhì),從而改善OA[35]。此外,除了軟骨再生的能力,外泌體還能通過(guò)增加軟骨細(xì)胞標(biāo)志物的表達(dá),同時(shí)抑制分解代謝基因來(lái)延長(zhǎng)白細(xì)胞介素-1β誘導(dǎo)的軟骨細(xì)胞存活期,上調(diào)Ⅱ型膠原蛋白,重新合成細(xì)胞外基質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)軟骨保護(hù),防止軟骨細(xì)胞肥大,避免軟骨細(xì)胞變性[36]。外泌體在體內(nèi)的遞送系統(tǒng)可規(guī)避MSCs細(xì)胞治療的缺點(diǎn),是促進(jìn)軟骨修復(fù)的有效手段,但基于外泌體治療OA的臨床研究還有待驗(yàn)證。
MSCs單獨(dú)作用于OA,能延緩軟骨損傷,促進(jìn)骨與軟骨再生,從而改善OA。近年來(lái),研究者在使用MSCs治療OA時(shí)聯(lián)合其他治療方法取得新突破。如與藥物、不同來(lái)源的MSCs、天然藥物化合物、物理因子等治療方式聯(lián)合使用,從而更好治療OA和軟骨損傷。由于MSCs來(lái)源不同,其生物學(xué)特性會(huì)有所差異,所以療效不同。如SMSCs具有更好的成骨潛能,UCB-MSCs免疫源性、致瘤性更低。當(dāng)兩者共同作用時(shí),是否會(huì)產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng),將兩者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái),從而對(duì)OA和軟骨損傷表現(xiàn)出更好的療效。另外,如今人們用天然產(chǎn)物治療OA的興趣日益濃厚,如蘆薈、大蒜、姜黃、生姜、綠茶等在治療各種骨骼疾病中得到廣泛應(yīng)用。因其天然無(wú)害,能以理想的速率持續(xù)釋放,為組織生長(zhǎng)留出足夠時(shí)間,將組織毒性的風(fēng)險(xiǎn)降到最低,并介導(dǎo)骨再生過(guò)程[37]。所以,這些天然產(chǎn)物可嘗試與MSCs聯(lián)用來(lái)治療OA和軟骨損傷,激發(fā)協(xié)同效應(yīng),將兩者的優(yōu)勢(shì)結(jié)合,以增加其療效。
有研究者將富血小板血漿與AD-MSCs聯(lián)合作用于患有OA的犬關(guān)節(jié)腔內(nèi),發(fā)現(xiàn)其能有效改善患犬跛行,減輕疼痛,從而提高犬的生活質(zhì)量,且療效能維持6個(gè)月以上,且無(wú)臨床證據(jù)表明兩者聯(lián)用會(huì)增加惡性腫瘤或免疫性疾病的風(fēng)險(xiǎn)[23]。另外,AD-MSCs與高壓氧聯(lián)合治療OA時(shí),在28 d后逆轉(zhuǎn)了軟骨變性,使血清TNF-α和白細(xì)胞介素-6水平降低,血清白細(xì)胞介素-10和血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子水平升高,且AD-MSCs與高壓氧聯(lián)合治療比兩者單獨(dú)治療效果更優(yōu)[38]。BMSCs和鹿瓜多肽液聯(lián)合治療兔膝關(guān)節(jié)OA,同樣能顯著改善關(guān)節(jié)情況,相對(duì)于單移植BMSCs和鹿瓜多肽液組,聯(lián)合組能更好地加快軟骨細(xì)胞增殖,緩解關(guān)節(jié)炎癥,并調(diào)節(jié)軟骨細(xì)胞凋亡[39]。此外,近年研究顯示,MSCs聯(lián)合生物材料在治療骨代謝疾病(如骨關(guān)節(jié)炎、骨質(zhì)疏松和骨肉瘤)方面顯示出良好療效[40]。其特點(diǎn)在于生物材料與MSCs的相互作用可以引導(dǎo)MSCs分化為特定的細(xì)胞系,兩者聯(lián)合使用于軟骨病變或OA模型中可促進(jìn)透明樣軟骨再生,為MSCs在臨床中的不同應(yīng)用提供了新思路[41]。可見(jiàn),藥物、物理因子、天然藥物化合物、生物材料等治療方式聯(lián)合MSCs治療OA,均具有積極作用。因?yàn)閮烧弑旧砭哂兄委烵A的作用,且兩者作用不同,當(dāng)兩者聯(lián)合時(shí),會(huì)產(chǎn)生協(xié)同作用,從而能更好地改善關(guān)節(jié)內(nèi)的病理情況,有效減少關(guān)節(jié)內(nèi)炎癥,促進(jìn)骨與軟骨的再生,且無(wú)嚴(yán)重不良事件發(fā)生。
綜上所述,MSCs作為一種多能干細(xì)胞,通過(guò)抗炎、免疫調(diào)節(jié)、調(diào)節(jié)自噬和細(xì)胞凋亡等增加軟骨細(xì)胞的增殖,促進(jìn)軟骨修復(fù)來(lái)治療OA。由于MSCs的異質(zhì)性,并受到體外培養(yǎng)條件和關(guān)節(jié)腔內(nèi)炎癥微環(huán)境的影響,部分MSCs會(huì)表現(xiàn)出不穩(wěn)定的細(xì)胞形態(tài)或經(jīng)歷次優(yōu)的軟骨分化和軟骨基質(zhì)形成,甚至加速細(xì)胞死亡[42]。另外,MSCs的分離、提純、培養(yǎng)、特異的表面標(biāo)志物、使用劑量、植入時(shí)機(jī)、有效性和安全性有待研究。