脂肪间充质干细胞治疗运动创伤的研究进展

潘玮敏，段春光，张明军

（1.西安体育学院健康科学系，陕西 西安 710068；2.第四军医大学附属西京骨科医院，陕西 西安 710032）

脂肪间充质干细胞治疗运动创伤的研究进展

潘玮敏1，段春光2，张明军1

（1.西安体育学院健康科学系，陕西 西安 710068；2.第四军医大学附属西京骨科医院，陕西 西安 710032）

运动创伤的修复是运动医学临床实践研究的热点与难点。伴随再生医学的发展，干细胞治疗技术已然成为修复运动创伤的新策略，尤其是脂肪间充质干细胞（adipose derived mesenchymal stem cells； ADSC）由于其自身微创、大量获取等优势备受青睐。本文主要介绍了当前ADSC在运动损伤研究领域的几大热点问题，并通过对近年实验及临床研究成果的总结，为ADSC在临床实践中的应用提供理论支持。

运动创伤主要是在体育运动过程中发生的疾病类型，其中急性闭合性软组织挫伤最为常见。然而，随着各运动项目的普及与发展，高难度、高强度及高刺激性的运动诉求使得较为严重的运动创伤，诸如骨折、关节软骨损伤，肌腱、韧带的损伤与断裂的发生率逐年增高。这些创伤的愈后不良不仅阻碍了运动员的训练及比赛，最重要的是可能对运动员的“运动生命”造成终身影响，某些运动员不得不终止自己的运动生涯。因而，对于上述运动创伤的治疗，尤其是针对专业运动员的治疗给运动医学界提出了新的要求，因为运动员对于微创、愈合时间及效果的要求高于普通运动爱好者。

再生医学技术的发展为研究者带来了新的契机，其中干细胞治疗技术成为了研究的重点。由于干细胞不仅具备多向分化潜能，而且可在损伤环境影响下定向诱导分化，即具备了可按损伤组织需求进行修复与再生的可能。众多学者将关注点投注于骨髓间充质干细胞（bone marrow derived mesenchymal stem cells；BMSC）的同时，却发现BMSC的应用仍受到不少限制。其增殖能力易受患者年龄影响，传代后易发生老化，且分泌生长因子能力下降。对于运动员来说，为获取骨髓组织进行的骨髄穿刺，不仅具有创伤性，而且具有一定的风险。

近年来研究者证实，脂肪组织中存在的脂肪间充质干细胞（adipose derived mesenchymal stem cells；ADSC）， 类 似 于BMSC具备自我更新与多向分化潜能，却来源更加广泛：自体微创取材、较为简易；可大量获得及免疫抑制等优势，为干细胞疗法应用于运动创伤的修复再生提供了新的选择。本文主要针对目前ADSC在运动创伤治疗方面的研究进展做一综述。

1 ADSC在运动性骨损伤治疗中的应用

1.1 运动性骨损伤的特点

体育运动中，高能量创伤导致的骨折发生愈发常见，甚至开放性、复合性的大段骨损伤也可发生。这类骨折发生过程中不仅有直接或间接的暴力参与，肌肉的强烈收缩也参与其中，因此骨折部位周围的血运状况较差。采用传统的复位及外固定技术的治疗效果往往不佳，尤其对于较为严重的不规则性骨折、粉碎性骨折及关节部位等复杂骨折，易导致骨延迟愈合或骨不连的发生。另一方面，某些项目运动员由于长期从事高强度、持久性、频率高的运动训练，肌肉附着部位的应力和肌肉力量超过了骨的正常弹性限度常导致骨的“应力性损伤”，即“应力性骨折”。这类骨折的治疗方法尽管简单，然而实际往往由于运动员对于重返赛场的迫切诉求而发展为骨延迟愈合甚至骨不连。结合运动员对于愈合时间的要求以及训练的实际需要，现今越来越多的研究将重点放在了应用骨再生医学手段对损伤部位进行重建、修复。

1.2 ADSC结合生物支架在运动性骨损伤中的应用

由于ADSC类似于BMSC，具有向成骨方向分化的潜能，可通过微创手段即可获得大量细胞数量，因而被认为是骨再生医学中最佳的种子细胞来源之一。尽管有研究将ADSC直接注入骨折部位促进组织修复，但有实验发现，ADSC与生物支架复合后更有利于ADSC的黏附、生长和分化，从而更有效地促进骨的再生。过去的十年间，很多研究应用了生物陶瓷、钛合金、天然或合成的聚合物，以及天然或半合成的骨移植物与ADSC分别复合后，发现成骨效能可明显提高。然而，尽管这些材料具有可变孔隙率，适宜的表面粗糙度，并可依据损伤部位进行制备的优势，但是较差的生物力学性能、较低的细胞黏附率等缺点制约了成骨效果的进一步提高。因此，学者提出ADSC与组合两种或更多材料制备而成的支架复合，其成骨效能明显优于单一材料来源的支架。研究者们将ADSC种植于不同的生物复合支架材料后，应用于不同动物，包括股骨、颅骨等部位的骨折缺损修复，均取得良好的成骨修复效果。因而，Lendeckel S等在2004年临床上首次将自体ADSC和自体松质骨粒用纤维蛋白胶包绕去修复7岁小女孩的多发区域颅骨骨折。3个月后，病人无并发症，并且CT检查结果显示，颅骨骨折区域新生骨生成且连续性良好。2009年，Mesimäki等则应用人的ADSC结合重组人骨形态发生蛋白-2（BMP-2）和β-TCP颗粒修复上颌骨大面积缺损，术后8个月的随访发现无严重并发症，且骨缺损区域成骨效果良好。以上临床实践的成功大大推动了ADSC应用于骨再生工程。Sándor等则应用自体ADSC与负载重组BMP-2的可吸收支架（β-TCP混合生物活性玻璃制备）复合后用于治疗23例大面积颌面骨缺损病患。85%病例术后获得较好的骨重建效果，为临床应用ADSC进行骨再生提供了强有力的证据。

2 ADSC在运动性关节软骨损伤治疗中的应用

2.1 运动性关节软骨损伤的特点

关节软骨是缓冲关节间震荡，确保关节正常完成动作的重要结构，因此在运动训练中关节软骨损伤的发生较为常见。一方面，在跳跃或篮球等对关节各方位运动要求较高的体育项目中，由于关节部位受力的突发性和复杂性，常造成关节软骨的急性损伤。软骨负重面的急性损伤会引起关节疼痛、肿胀和关节不稳，可加速软骨的褪变，影响关节的功能，严重影响运动员的运动训练。而且，关节发生运动性损伤时，常合并关节周围软组织的损伤，改变了关节的正常稳定性结构，使得关节正常活动受到极大影响。当关节活动受限时，为关节软骨提供营养运送的关节滑液由于关节内压力的改变，就不能达到全部的软骨面，从而导致部分关节软骨面发生退行性病变。研究早已证实关节软骨中缺乏血管、神经，自愈能力非常有限，即使是较小的关节软骨损伤也可导致关节软骨退行性病变的发生。另外，运动损伤中，一个关节面软骨损伤后，往往与之耦合的另一关节面软骨也会发生或继发病变。因而运动员软骨损伤后常出现多处且大面积的软骨退化病变，而且病理改变会到达更大范围，牵扯到其他部位，例如软骨下骨、滑膜及腱周等，最终演变为创伤性骨性关节炎，极大影响运动员的竞技水平。但是，目前仍缺乏有效的治疗方法。再生医学手段的发展，为运动性关节软骨损伤修复提供了新的曙光。

2.2 ADSC结合生物支架在运动性软骨损伤中的应用

ADSC由于较易获取以及可分化成软骨细胞的特性而被应用于软骨再生工程。前期研究已证实ADSC可与不同生物支架材料复合修复软骨缺损。Masuoka等将ADSC种植于特制的胶原支架上修复兔的骨软骨缺损。组织学结果显示，缺损处填充了透明样软骨，并且高表达II型胶原。同样，Dragoo等应用了纤维蛋白胶复合ADSC治疗全层软骨损伤，结果不仅发现透明样软骨组织再生而且软骨下骨层也完全愈合。

尽管文献报道中说，相比较BMSC，ADSC分化为软骨细胞的能力较弱，但是研究者发现，这一缺点完全可以通过结合生长因子的方式得到解决，例如ADSC可与转化生长因子（TGF-β2）、骨形态发生蛋白（BMPs）或高剂量的TGF-β2与IGF-I复合促进分化效率。然而，也有学者，发现生长因子的应用并未提高ADSC向软骨细胞分化的效率。Im等将ADSC与富含TGF-β2和BMP-7的聚乙酸内酯（PCL）可降解性支架复合修复兔软骨缺损，结果却显示发生了排异反应，且缺损处填充非软骨组织。因此，选择何种生长因子，以及以何种方式、剂量等综合作用于ADSC，提高其向软骨方向的分化能力，将成为日后研究的重点。

在治疗方案的选择上，由于关节软骨结构的特殊性，更多的研究倾向于注射性疗法。Pak等将浓缩的ADSC与透明质酸（HA）、富血小板的血浆（PRP）、以及地塞米松混合注射入退化性骨性关节炎患者膝关节中，3个月后，患者主观疼痛感及功能状况明显改善，MRI检查结果提示，软骨厚度明显增加。最近，在Koh等的研究中，25例骨性关节炎患者被随机分为治疗组及对照组，其中治疗组接受1次ADSC与PRP混合的注射，随后2次的注射仅应用PRP，而对照组则一直应用PRP注射，术后两组均未见明显副作用。尽管平均16个月的治疗随访的临床检查结果相似，但是治疗组改善程度高于对照组。前期的研究结果为ADSC采用注射性手段应用于修复软骨损伤提供了坚实的基础，而这一点恰恰符合了运动员对于微创治疗的主要诉求。

3 ADSC在运动性肌腱、韧带损伤中的应用

3.1 运动性肌腱、韧带损伤的特点

肌腱和韧带是关节中控制运动和分担负荷的重要结构，二者皆属于致密结缔组织，主要由I型胶原纤维构成基质。但相对而言，细胞成分以及血管就较少。因此，二者的细胞及基质的代谢缓慢，导致损伤后的愈合更为缓慢。运动训练中，在运动强度、持续时间以及运动方式、动作不规范等情况下，肌腱韧带的损伤及断裂发生更为频繁，继而可能导致运动员关节运动能力的显著变化并产生严重疾病，极大影响运动训练水平。在长期较高强度运动训练过程中，肌腱或韧带可能都存在疲劳性损伤，如果适应良好，肌腱或韧带的抗疲劳损伤能力增强。有研究表明，肌腱中细纤维的增加实际上是肌腱对疲劳性损伤的一种适应性改建。一旦适应不佳，疲劳性损伤逐渐积累，可发生肌腱韧带的退变、慢性炎症、腱周炎等改变，最终由于一些突发的状况导致肌腱韧带的断裂。肌腱韧带损伤愈合后往往会形成疤痕，它与肌腱韧带的形貌、生物化学和生物力学不同。随着时间的增加，疤痕组织可能呈现二者的一些特性。然而，不会发生功能上的完全再生。因此，组织再生医学技术的介入使得受损肌腱韧带结构功能完全再生成为可能，为运动员的肌腱韧带创伤恢复提供了全新的策略。

3.2 ADSC在运动性肌腱、韧带损伤中的应用

较多的研究已经证实ADSC可向骨、软骨方向增生、分化，而关于ADSC应用于修复运动性肌腱和韧带损伤的研究较为有限。究其原因，主要是由于ADSC向腱细胞方向分化的效率较为低下。所以，近年大多的研究关注在如何创造更为有力的外界环境诱导ADSC的分化。运动中作为传导力的重要结构，学者们推断机械应力在ADSC向韧带细胞分化的过程中起着关键的作用。Franco 等将ADSC 种植在透明质酸支架上，同时给予动态牵拉，发现18天后ADSC开始向韧带细胞方向分化，而且分化细胞分泌的细胞外基质也和受力方向平行。Raabe O等则将马脂肪组织来源的ADSC与I型胶原支架复合后，通过施加拉伸应力，生长分化因子（GDF5、GDF6、GDF7）和不同氧张力（3%与21%氧张力），以确定ADSC在体外向腱细胞分化的最佳条件。实验结果显示，与未施加任何力学刺激组相比，施加拉伸刺激组的ADSC很好的向腱细胞方向分化。也有研究发现，肌腱韧带的细胞外基质部分也对ADSC向腱细胞方向的分化具有促进作用。Little D等在体外将 ADSC与韧带来源的基质支架复合后发现，ADSCs不仅可分化为韧带细胞，且效果明显优于传统胶原支架。Yang等则在发现牛肌腱ECM能够促进牛ADSC向肌腱细胞分化。2013年Schmitt等则使用人尸体去细胞的肌腱支架承载人ADSC应用修复无胸腺大鼠体内的肌腱缺损，实验结果显示，ADSC不仅存活体内4周，并且其分泌的I型/III型胶原纤维比率较肌腱支架组未见明显改变，证实ADSC在体内能够维持长时间存活并向肌腱细胞分化，分泌I型胶原纤维。伴随研究的深入，学者们发现采用将ADSC与肌腱细胞共培养的方式也可提高ADSC的分化效率。陆续，研究者们应用富血小板血浆（PRP），重组人血小板源性生长因子（rhPDGF-BB），软骨来源的骨形态发生蛋白-1（GDF5）促进ADSC的分化，尽管相关详尽机制还不甚清晰，但均取得良好的结果，提示改善外部分化环境可明显提高ADSC向腱细胞的分化效率。

在体实验中，Kryger 等比较了 ADSC、BMSC、韧带细胞、鞘成纤维细胞修复韧带缺损的能力，发现ADSC的增殖速度快于其他细胞，可为韧带修复提供更多的细胞来源。Deng D等应用ADSC复合PGA/ PLA支架修复兔跟腱受损模型，术后12、21和45周发现实验组修复跟腱的能力均明显优于对照组。这些研究结果为 ADSC在肌腱与韧带修复方面带来希望，但在机制相关通路的研究、提高分化效率等方面需要更多的实验来证实，使之更适合临床应用的需要。

4 结 论

综上所述，脂肪间充质干细胞（ADSC）的应用为运动医学界将再生医学技术施用于运动性创伤的治疗提供了巨大的潜能与挑战。为提高ADSC诱导分化的效率，也为临床治疗开辟新策略奠定了坚实的基础。然而，还有诸多的问题，比如ADSC的分离纯化以及培养等步骤如何标准化适应于临床的操作、ADSC与生物支架材料复合体如何合理选择优化适于手术需要却不引发并发症均需要严谨的前期临床试验进行验证。但伴随相关学科及技术的发展，ADSC的应用将会进一步优化及标准化，为运动创伤提供一个更令人振奋的治疗策略。

[1]钟进聪，王震.大众体育与竞技体育运动损伤的成因及对策[J].广州体育学院学报，2014，34（1）：109-111.

[2]刘长路，吴岩.干细胞移植治疗脊髓损伤的研究进展[J].中国组织工程研究与临床康复，2011（32）.

[3]常丽君.科学家发现神经修复新机制[N].科技日报，2011.

G843

A

1674-151X（2014）09-111-03

2014-08-15

课题项目：国家自然科学基金项目（慢病毒载体介导的LMP-1／HIF-1a修饰的脂肪源性干细胞高效定向成骨分化的实验研究）（编号：81201409）。

潘玮敏（1974～），副教授，博士。研究方向：运动损伤治疗与康复。