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

劉昱航, 林金盈

骨關(guān)節(jié)炎(osteoarthritis,OA)是最常見的關(guān)節(jié)炎,發(fā)病率呈增長趨勢,是老年人致殘的主要原因之一[1-2]。OA的病理特征是累及全關(guān)節(jié)的病變,包括軟骨退化、骨重塑、骨贅形成和滑膜炎癥,繼而導(dǎo)致關(guān)節(jié)的疼痛、僵硬、腫脹、關(guān)節(jié)正常功能喪失,膝關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)、脊柱關(guān)節(jié)和手關(guān)節(jié)最常受累[3]。在2019年歐洲骨質(zhì)疏松和骨關(guān)節(jié)炎臨床經(jīng)濟(jì)學(xué)會(European Society for Clinical and Economic Aspects of Osteoporosis,Osteoarthritis and Musculoskeletal Diseases,ESCEO)發(fā)布的膝骨關(guān)節(jié)炎治療最新建議中,對于OA患者的非手術(shù)治療的建議為理療、非甾體抗炎藥物、透明質(zhì)酸、阿片類止痛藥、糖皮質(zhì)激素等對癥治療,而晚期OA患者只能選擇關(guān)節(jié)置換術(shù)及截骨術(shù)治療,這些治療方案均不能阻止OA的進(jìn)展[4]。間充質(zhì)干細(xì)胞是從骨髓、脂肪、滑膜、臍帶等組織或器官中分離提取出的一種具有高增殖活性、多向分化能力、免疫活性低等特點(diǎn)的多能成體干細(xì)胞[5]。骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(bone marrow mesenchymal stem cells,BMSCs)從骨髓中提取。近年來,越來越多的研究者嘗試將不同來源的間充質(zhì)干細(xì)胞移植應(yīng)用于OA的治療,BMSCs在OA的發(fā)病機(jī)制及治療中的研究也在不斷深入。本文對近年來BMSCs治療OA的研究進(jìn)展作一綜述。

1 BMSCs的生物學(xué)特性

BMSCs首次由Friedenstein等[6]從骨髓中分離得到。BMSCs可從自體或同種異體的盆骨、股骨及脛骨中取得,具有多向分化和自我增殖的特點(diǎn),具備分化為成骨細(xì)胞、軟骨細(xì)胞、神經(jīng)細(xì)胞、脂肪細(xì)胞和基質(zhì)細(xì)胞等多種細(xì)胞的能力[7]。BMSCs在體內(nèi)外不僅能參與初次免疫應(yīng)答和獲得性免疫過程中與多數(shù)效應(yīng)細(xì)胞相互作用并調(diào)節(jié)它們的功能[8],而且能通過內(nèi)分泌、旁分泌因子調(diào)節(jié)細(xì)胞和組織的增殖、凋亡、免疫反應(yīng)等,發(fā)揮誘導(dǎo)細(xì)胞增殖、刺激血管生成、保護(hù)細(xì)胞免于凋亡和免疫調(diào)節(jié)等作用[9]。BMSCs還能在組織損傷和炎癥因子的趨化下向受損部位遷移和歸巢,起到修復(fù)損傷的作用[10]。因BMSCs具有取材方便、來源充足、多向分化和自我增殖等特點(diǎn),在臨床治療中得到越來越多的應(yīng)用。

2 BMSCs與骨退行性變

OA的基本病理是關(guān)節(jié)軟骨的損傷[11],向關(guān)節(jié)腔內(nèi)或軟骨下注射自體、同種異體間充質(zhì)干細(xì)胞是治療OA的研究熱點(diǎn)。有研究發(fā)現(xiàn),線粒體的穩(wěn)態(tài)和功能在骨退行性變中起著至關(guān)重要的作用[12]。白細(xì)胞介素-1β(interleukin-1β,IL-1β)是OA發(fā)病機(jī)制中的關(guān)鍵介質(zhì)。Ansari等[13]發(fā)現(xiàn)IL-1β能夠刺激OA軟骨細(xì)胞導(dǎo)致其活性氧(reactive oxygen species,ROS)的過度產(chǎn)生,線粒體跨膜電位(mitochondrial transmembrane potential,MMP)崩潰,受損的線粒體積累和由Parkin RBR E3泛素蛋白連接酶(Parkin RBR E3 ubiquitin protein ligase,PRKN)介導(dǎo)有絲分裂的細(xì)胞凋亡增多。在IL-1β的刺激下,軟骨細(xì)胞中PRKN的耗竭影響了有絲分裂,導(dǎo)致線粒體功能紊亂和氧化應(yīng)激的增加,而PRKN的過度表達(dá)通過清除功能紊亂的線粒體從而減少線粒體ROS的產(chǎn)生和軟骨細(xì)胞的凋亡。間充質(zhì)干細(xì)胞被認(rèn)為是修復(fù)軟骨和誘導(dǎo)其再生的一種潛在方法[14],但隨著細(xì)胞的老化,間充質(zhì)干細(xì)胞中的線粒體自噬被激活,嚴(yán)重?fù)p害了間充質(zhì)干細(xì)胞向軟骨分化的能力[15]。研究已證明氧化應(yīng)激早期通過有絲分裂原激活的蛋白激酶8(mitogen-activated protein kinase 8,MAPK8)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)迅速改善線粒體,而在晚期限制有絲分裂并促進(jìn)BMSCs的凋亡[16]。BMSCs的功能紊亂在OA患者關(guān)節(jié)的退行性變中起著至關(guān)重要的作用。軟骨細(xì)胞在炎癥損傷的影響下可激活包括核因子-κB(nuclear factor-kappa B,NF-κB)等炎癥信號通路[17]。在機(jī)械應(yīng)力或細(xì)胞因子(IL-1β等)的作用下,關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞和滑膜細(xì)胞中NF-κB途徑被激活,NF-κB p56和NF-κB p50蛋白被釋放并從細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核[18]。Hamdalla等[19]將BMSCs注射到單碘乙酸誘導(dǎo)的OA模型中發(fā)現(xiàn),BMSCs能夠顯著抑制NF-κB途徑中的腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)、IL-1β、IL-6、NF-κB p56和NF-κB p50蛋白等,從而起到抗炎作用。此外,BMSCs還可提高IL-10的表達(dá),降低免疫活性,起到保護(hù)軟骨、誘導(dǎo)軟骨細(xì)胞增殖和改善軟骨退化的作用[20]。通過BMSCs的移植發(fā)揮其生物學(xué)特性及免疫調(diào)節(jié)功能從而改善關(guān)節(jié)炎癥反應(yīng)已被越來越多的研究所探討。

3 BMSCs旁分泌釋放外泌體在OA中的作用

外泌體是由所有細(xì)胞類型產(chǎn)生的細(xì)胞外囊泡的子集,在細(xì)胞間通信發(fā)揮著重要作用[21],它們是由蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和核酸組成的30～300 nm的載體[22]。BMSCs可產(chǎn)生和釋放一系列生物活性因子(如趨化因子、細(xì)胞因子、生長因子等),直接刺激靶細(xì)胞以旁分泌的方式釋放功能活性介質(zhì)發(fā)揮保護(hù)性和內(nèi)源性再生的作用[23]。已有研究證實(shí),BMSCs產(chǎn)生的外泌體能夠有效促進(jìn)OA大鼠模型的軟骨修復(fù)、細(xì)胞外基質(zhì)合成和膝關(guān)節(jié)疼痛的緩解[24]。間充質(zhì)干細(xì)胞外泌體主要通過增強(qiáng)Ⅱ型膠原和硫酸糖胺聚糖等細(xì)胞外基質(zhì)合成,促使軟骨細(xì)胞中成軟骨基因Ⅱ型膠原a1(Col2a1)和蛋白聚糖表達(dá)增加,促使肥大標(biāo)志物基質(zhì)金屬蛋白酶13和轉(zhuǎn)錄因子Runx2的表達(dá)降低,進(jìn)而減弱IL-1α誘導(dǎo)軟骨細(xì)胞增殖和凋亡。此外,間充質(zhì)干細(xì)胞外泌體還能通過激活A(yù)kt、ERK和SMAD通路,增加軟骨細(xì)胞增殖并遷移至損傷部位、促進(jìn)軟骨基質(zhì)合成,進(jìn)而修復(fù)軟骨損傷[25]?；|(zhì)金屬蛋白酶3(matrix metalloproteinase 3,MMP3)是MMP族中的一員。Tong等[26]發(fā)現(xiàn)其在OA滑膜細(xì)胞中高度表達(dá),并與OA風(fēng)險(xiǎn)呈正相關(guān)。Akt是一種絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶,是PI3K/Akt信號通路的效應(yīng)子[27],參與調(diào)控細(xì)胞生長、凋亡、遷移和代謝等過程。PTEN基因是PI3K/Akt信號通路的重要負(fù)調(diào)節(jié)因子,PTEN的缺失將導(dǎo)致PI3K/Akt信號通路的激活[28]。研究表明MicroRNA-130a能作用于PTEN/PI3K/Akt信號通路促進(jìn)軟骨細(xì)胞的增殖并減少其凋亡,從而緩解OA的癥狀[29]。Wang等[30]的研究發(fā)現(xiàn)LYRM4-AS1基因通過GRPR/miR-6515-5p調(diào)控IL-1β誘導(dǎo)軟骨細(xì)胞的生長。該研究在體外成功從BMSCs中分離出外泌體,并在IL-1β誘導(dǎo)的OA細(xì)胞中顯著提高了軟骨細(xì)胞的活性,并逆轉(zhuǎn)了其細(xì)胞的凋亡。研究結(jié)果表明外泌體下調(diào)了MMP3、Akt和GRFR的表達(dá),并上調(diào)PTEN表達(dá),從而減少IL-1β生成,對OA的軟骨細(xì)胞起到誘導(dǎo)生成、減少凋亡的保護(hù)作用。研究比較了骨髓和臍帶來源的間充質(zhì)干細(xì)胞外泌體在動物體內(nèi)外的療效,結(jié)果表明在OA模型中加入外泌體后與軟骨細(xì)胞基質(zhì)合成相關(guān)基因的蛋白表達(dá)增加,而與基質(zhì)降解、細(xì)胞凋亡相關(guān)基因的蛋白表達(dá)被抑制,在大體觀察下關(guān)節(jié)軟骨表面的炎癥改變也明顯改善[31]。但多項(xiàng)研究結(jié)果表明,臍帶來源的間充質(zhì)干細(xì)胞在OA中的療效優(yōu)于BMSCs。BMSCs旁分泌釋放外泌體能通過多個通路調(diào)節(jié)軟骨細(xì)胞的生物學(xué)作用,進(jìn)而影響其增殖和凋亡,起到保護(hù)軟骨、延緩關(guān)節(jié)炎發(fā)展的作用,這一特性有望成為改善OA的新策略。臨床醫(yī)師需綜合考慮選擇不同來源的間充質(zhì)干細(xì)胞。

4 BMSCs的臨床應(yīng)用

4.1自體BMSCs移植 在Lamo-Espinosa等[32]的一項(xiàng)為期4年的Ⅰ/Ⅱ期臨床試驗(yàn)中,向試驗(yàn)組OA患者關(guān)節(jié)腔內(nèi)注射自體BMSCs,在4年的研究終點(diǎn)時,患者的視覺模擬量表(Visual Analogue Scale,VAS)評分和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)均得到改善,除注射后24 h內(nèi)需要抗炎止痛治療外,此后的隨訪過程中,患者均未發(fā)現(xiàn)不良反應(yīng)。富血小板血漿(platelet rich plasma,PRP)可作為一種可靠的軟骨誘導(dǎo)劑,其在OA治療中的療效已有循證醫(yī)學(xué)證據(jù)[33]。自體PRP是PRP中的一類,因其能夠促進(jìn)細(xì)胞外基質(zhì)的修復(fù),越來越多地被推薦用于減輕關(guān)節(jié)炎癥和緩解關(guān)節(jié)退變。研究表明,關(guān)節(jié)腔內(nèi)單獨(dú)注射自體PRP對OA患者的WOMAC評分有所改善,但不能改善VAS評分,而自體BMSCs聯(lián)合自體PRP注射能明顯改善OA患者的關(guān)節(jié)功能,減輕關(guān)節(jié)疼痛,并具有良好的安全性[34]。除關(guān)節(jié)腔內(nèi)注射自體BMSCs外,軟骨下注射自體BMSCs在OA中的療效也能夠?qū)A患者產(chǎn)生長期改善效果,并持續(xù)數(shù)年[35]。Hernigou等[36]的研究對皮質(zhì)類固醇相關(guān)繼發(fā)性骨壞死的患者一側(cè)關(guān)節(jié)接受全膝關(guān)節(jié)置換術(shù),對另一側(cè)的股骨和脛骨的軟骨下注射自體BMSCs。在12年的隨訪中,接受膝關(guān)節(jié)置換和軟骨下注射自體BMSCs二者的膝關(guān)節(jié)評分改善相似,而相比于接受膝關(guān)節(jié)置換,接受自體BMSCs治療的患者中未出現(xiàn)血栓性靜脈炎等并發(fā)癥。在另一項(xiàng)為期15年的研究中,對140例計(jì)劃分階段接受雙膝關(guān)節(jié)置換的患者一側(cè)關(guān)節(jié)軟骨下注射BMSCs,結(jié)果表明與接受膝關(guān)節(jié)置換相比,關(guān)節(jié)軟骨下注射BMSCs對關(guān)節(jié)疼痛和關(guān)節(jié)畸形的進(jìn)展有明顯的緩解,并且能夠延緩甚至避免患者接受手術(shù)治療[37]。目前,已有多項(xiàng)臨床和動物試驗(yàn)表明自體移植BMSCs能夠改善OA患者的關(guān)節(jié)疼痛及功能且能維持較長時間的療效,在重度OA患者的治療中不僅療效可觀,也被認(rèn)為相對安全,相較于手術(shù)還具有操作簡單、并發(fā)癥少等優(yōu)點(diǎn),這項(xiàng)技術(shù)的成熟有望為重度OA患者的治療帶來更多的治療選擇。

4.2同種異體BMSCs移植 Vega等[38]的研究通過關(guān)節(jié)腔內(nèi)注射異體BMSCs并與關(guān)節(jié)腔內(nèi)注射透明質(zhì)酸對照,結(jié)果發(fā)現(xiàn)接受異體BMSCs治療的患者關(guān)節(jié)疼痛、功能評分明顯改善。通過定量核磁共振T2標(biāo)測對關(guān)節(jié)軟骨質(zhì)量進(jìn)行評估發(fā)現(xiàn),接受異體BMSCs治療的患者質(zhì)量較差的軟骨區(qū)域明顯減少,軟骨質(zhì)量得到明顯改善。相比于自體BMSCs移植,同種異體移植BMSCs還具有干預(yù)簡單、操作時間短等優(yōu)點(diǎn),但其帶來的不良反應(yīng)則相對較多。異體BMSCs移植治療OA的研究及病例數(shù)較少,其療效和安全性仍有較多不確定性,且存在宿主抗排斥反應(yīng),在臨床患者中的應(yīng)用不如自體BMSCs。目前也有正在進(jìn)行的Ⅲ期臨床試驗(yàn)[39],不久將可能有更多研究結(jié)果證實(shí)異體BMSCs移植治療OA的有效性和安全性。

5 結(jié)語

OA的常規(guī)治療僅能緩解關(guān)節(jié)的疼痛和延緩疾病的進(jìn)展。越來越多的基礎(chǔ)和臨床研究已經(jīng)證實(shí)BMSCs在OA中的療效,并能夠改善軟骨功能和質(zhì)量。目前也有多項(xiàng)研究應(yīng)用脂肪和臍帶來源的間充質(zhì)干細(xì)胞治療OA,都表現(xiàn)出不錯的療效[40-41]。BMSCs的優(yōu)點(diǎn)在于軟骨分化能力高,可形成比較均質(zhì)、高質(zhì)量的細(xì)胞外基質(zhì)[42]。但由于BMSCs需要通過抽取自體或異體的骨髓來獲得,取材較脂肪和臍帶血困難,可能給患者帶來骨損傷和感染的風(fēng)險(xiǎn)。同時,目前BMSCs應(yīng)用于臨床OA患者的研究較少,針對不同性別、年齡、疼痛程度等的OA患者,其適應(yīng)證和安全的細(xì)胞用量仍未有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。隨著BMSCs在OA治療領(lǐng)域中的逐步發(fā)展,更多的臨床研究和隨機(jī)對照研究,更大樣本量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)將為BMSCs的療效提供更多證據(jù)以及規(guī)范的治療方法。