骨髓间充质干细胞治疗椎间盘退变的研究进展

李梓瑞，徐宏光

(皖南医学院弋矶山医院脊柱外科 安徽芜湖 241001)

骨髓中除含有造血干细胞外，还含有另一类由中胚层发育的早期细胞［1］，称之为间充质干细胞(mesenchymal stem cell，MSC)。造血干细胞是血细胞和破骨细胞的起源，而间充质干细胞是成骨细胞的起源，间充质干细胞具有强大的增殖能力及多向分化潜能，MSCS主要存在于结缔组织和器官基质中，以骨髓中含量最多。在不同的诱导条件下，可以向成骨细胞、成软骨细胞、脂肪细胞和成纤维细胞分化的能力［2］。

1 BMSC的发现及特点

140年前德国的Cohnheim就提出骨髓内存在有非造血系统的干细胞，并首次提出了这些干细胞参与组织损伤修复的假设［1］，他在损伤修复的实验中用一种可溶性的染料analine注入动物的静脉，经过一段时间，就能够在伤口的周围找到一些被染色的细胞，这些细胞不仅含有炎性细胞，也包括一些纤维细胞样的细胞。1976年，Friedenstein［3］发现了一类易于粘附于塑料培养板表面的细胞，并以充分的证据证明了这些细胞在体内处于睡眠状态。而在体外，在一定条件的刺激下，可以诱导生成类似于软骨碎片的细胞集落，1984年Owen［4］首先将这种贴壁生长的细胞，定义为骨髓间充质干细胞。MSCs是呈成纤维样形态，贴壁成长为三角形和梭形。细胞间呈漩涡状排列，是间充质干细胞特有的排列方式，电镜下可见细胞核大，呈圆形，染色质丰富，核浆多，细胞器较少。

2 椎间盘退变机制

椎间盘由髓核、纤维环和软骨终板构成。椎间盘细胞包括脊索细胞、类软骨细胞和成纤维细胞。椎间盘退变所引发的腰腿痛是临床的常见病，是以软骨终板、髓核、纤维环的组成成分的改变为基础，导致其力学性能的降低。主要病理改变为髓核细胞减少，使髓核组织中Ⅱ型胶原和蛋白多糖含量也减少。目前，椎间盘退变的确切机制仍未完全清楚，An等［5］认为，生物学和生物力学是引起椎间盘退变的首要因素，其次是细胞因子、转化生长因子、基质降解酶等通过旁分泌或自分泌的形式调控椎间盘的细胞活性，导致基质的合成和分解完全失衡，也就是合成Ⅱ型胶原和蛋白多糖减少，不能满足椎间盘细胞的需要，从而引起椎间盘退变。

3 椎间盘退变的治疗

目前椎间盘退变的治疗方法主要有手术治疗、细胞移植治疗、组织工程学治疗等。

3.1 手术治疗 现在临床上椎间盘退变大多数采取手术治疗，手术治疗虽然能够有效的缓解临床症状，但还是不能从根本上修复退变的椎间盘，反而可能会因为手术创伤，使椎间盘结构遭到进一步的破坏，症状加重，使病人更加痛苦。

3.2 细胞移植治疗 细胞移植治疗是将自体的椎间盘细胞再移植到退化的椎间盘，延缓椎间盘的进一步退化。Gruber［6］研究证明将自体髓核细胞植入能有效的缓解椎间盘退变，但是自体来源的椎间盘细胞非常有限，无法满足自体椎间盘细胞再植入的要求。

3.3 组织工程学治疗 组织工程学治疗就是利用MSCs具有多向分化潜能的特点，在体外培养扩增，并在一定的环境和因素的诱导下，使其分化成类髓核细胞，同时骨髓间充质干细胞还可以为髓核细胞提供一个适宜的外环境，营养髓核细胞，使软骨基因改变和继续保持其分化增殖［7］，使软骨修复成为可能。BMSCs获取较方便，且能够在体外培养迅速增殖，连续传代而保持分化潜能不变，是组织工程中理想的种子细胞。Sakai等［8，9］在动物体内就骨髓间充质干细胞如何修复椎间盘的退化进行试验，结果显示，移植过BMSCs的椎间盘内，其蛋白多糖的含量明显恢复，且细胞外基质的基因高度表达，分化的BMSCs也表现出髓核细胞的表型。Risbud等［10］研究也证明，在适宜的环境条件下，BMSCs能分化成髓核细胞，并且合成蛋白多糖和Ⅱ型胶原，从而达到修复软骨，延缓椎间盘进一步退变的目的。因此可以认为间充质干细胞是组织工程研究的主要细胞来源，利用MSCs分化功能的组织工程学治疗目前渐渐成为治疗椎间盘退变的重要手段。

4 BMSCs分化的影响因素

4.1 低氧环境对 BMSCs的影响 Risbud等［10］在对BMSCs向髓核细胞分化的实验中，模拟了椎间盘的低氧环境，结果表明在低氧的环境下，分化后的干细胞在基因水平和蛋白水平都表达了髓核细胞外基质，如蛋白多糖和Ⅱ型胶原。

4.2 支架材料对BMSCs的影响 较理想的支架材料应该与椎间盘基质成分类似，能够体现体内椎间盘三维环境，具有生物降解性，生物相容性和力学特性等特点。目前研究最多的是多聚左旋乳酸支架，Richardson等［11］在多聚左旋乳酸支架上用腺病毒(Ad)－sox－9基因来诱导骨髓间充质干细胞，结果表明BMSC分化后有蛋白多糖和Ⅱ型胶原的表达，证明了人骨髓间充质干细胞在多聚左旋乳酸支架上可以向髓核细胞方向分化。刘建华等［12］也通过实验证明了左旋乳酸共聚物支架可作为软骨组织工程支架。当然，不同的支架材料，所起到的作用也有所不同，有的促进BMSCs增殖，有的使BMSCs向类软骨细胞分化，这给BMSCs的分化提供了很好的指导方向。

4.3 细胞生长因子对BMSCs的影响 软骨组织中含有多种生长因子，他们通过自分泌或旁分泌的方式，在软骨分化中起到非常重要的作用。在体外培养中使BMSCs向髓核细胞增殖分化［13］，其中包括 TGF－β(细胞转化因子)，BMP(骨形态发生蛋白)，IGF(胰岛素样生长因子)等。TGF－β是一族广泛存在、具有多种功能的多肽类生长因子，在人体中已发现了5种类型的 TGF－β，即 TGF －β1、TGF－ β2 、TGF－β3、TGF－β4、TGF－β5。TGF－β能使软骨细胞合成蛋白多糖增加，而且还能维持基质中蛋白多糖的浓度。Dounchis等［14］研究还证明了TGF－β能刺激BMSCs增殖分化成软骨细胞，并表达Ⅱ型胶原。骨形态发生蛋白主要是通过TGF－β/Smad信号转导途径诱导BMSC向成骨细胞增殖分化［15］。胰岛素样生长因子是一种很强的合成代谢刺激因子，不仅促进BMSC向软骨细胞分化，还能够抑制因为TGF－β引起的细胞外焦磷酸盐的过多聚集，防止形成焦磷酸盐结晶［16］。总的来说，如果单独应用BMP、IGF、FGF等，并不能诱导BMSC向软骨细胞分化，它们主要是辅助TGF－β来发挥作用，与TGF－β之间具有协同作用。TGF－β仍然是最强的细胞促生长因子，并且Indrawattana等［17］研究证明TGF－β3是诱导BMSC分化为软骨细胞最主要生长因子。

4.4 信号传导调控对BMSCs的影响 骨髓间充质干细胞的分化和增殖是需要通过一系列的信号转导途径来实现。目前研究较多的是转化生长因子/Smad信号转导途径，它由转化生长因子，具有丝氨酸/苏氨酸激酶活性的转化生长因子受体及受体底物Smad蛋白组成，丝裂原活化蛋白激酶介导的通路是诱导BMSC分化增殖成成骨的主要途径。Wnt信号通路是当前骨代谢研究的新方向［18］，研究表明，Wnt分泌蛋白对细胞分化、迁移等具有调节的作用，并且在wnt信号转导通路中，Wnt配体与Frizzled受体相结合，激活成骨细胞形成［19］。

5 展望

椎间盘的退行性变，一直困扰着医学界，随着对骨髓间充质干细胞的研究，为椎间盘退化的治疗提供更好的方法和途径。但是目前的研究还只是在动物实验模型中移植MSC取得较好的进展，要进入临床治疗还有许多问题需要解决:①动物的椎间盘模型与人的椎间盘在结构和功能上，还是有一定的差异，且与人的椎间盘退化的机制也不完全相同。②BMSC分化成髓核细胞的精确显型还不是十分清楚。③由于各个细胞的复杂性和广泛性，如何使各个细胞处于最佳状态，使相互间的协同作用得到最大的发挥，还需要我们更深入的研究。虽然我们还面临这些难题，但是我坚信随着人们对BMSCs更深入的研究，那么应用BMSCs治疗椎间盘退变必定成为现实。

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