关节软骨缺损修复治疗的研究进展＊

林涛 陈竹 袁德超 综述 冯刚 审校

（川北医学院第二临床医学院·南充市中心医院组织工程与干细胞研究所，四川 南充637000）

体育运动的开展和世界人口的老龄化，关节软骨损伤在青年人和中老年人中都较普遍，发病率逐渐增高［1］。由于关节软骨具有复杂的生物学特性和高度的耐用性，自然退变或创伤引起的缺损都可能导致其结构和功能上不可逆的损害，因此关节软骨损伤后的修复治疗是临床上急需解决的问题［2］。本文就其关节软骨缺损的治疗方式，主要包括保守治疗、传统的手术治疗和新兴的生物治疗等研究应用进展作一综述。

1 保守治疗

研究表明，当软骨全层缺损直径＜3mm时，可获得全部或大部分修复［3，4］。因此，在关节软骨损伤的早期，或者患者受条件限制无法进行手术时，保守治疗仍是一种较好的治疗方法。保守治疗包括口服非甾体抗炎药缓解疼痛或营养软骨药物保护软骨、减轻体重、改变活动方式、康复训练。其它还有关节腔内注射玻璃质酸钠、局部封闭、理疗和支具保护。总的来说，保守治疗能够暂时缓解疼痛症状，但不能从根本上恢复软骨的正常结构和功能，因此不能阻止病程的发展［5］。

2 手术治疗

当保守治疗无法缓解患者症状或损伤的关节软骨引起功能障碍时，常需要采取手术治疗的方法修复受损的关节软骨。目前，外科治疗方法主要有关节清理术、微骨折、自体或异体骨软骨移植等方法。这些方法虽然各有不同，但对于缓解损伤所带来的疼痛症状、延缓关节退行性变和恢复一定关节功能具有重要作用。

2.1 关节镜下关节清理术已成为治疗膝关节骨性关节炎的常用方法。研究表明，关节镜有助于咬除磨损、撕裂的半月板，刨削病理性滑膜组织，修复破坏的软骨面，磨除妨碍关节活动的骨刺，以及取出关节游离体。此外，在关节清理后，使用大量生理盐水冲洗膝关节可有效清除各种致痛因子［6，7］。丁勇［8］等对采用该治疗方法的125例患者进行6～48个月（平均25个月）随访，优良率可达78.2%。近年来，关节清理术也取得了一定的新的发展，如在清理的同时注射透明质酸钠进行辅助治疗或联合髌周支持带平衡术治疗有严重并发症的骨性关节炎等［9，10］。但关节镜下关节清理术始终仅是对受损部位的清理，仅能减轻疼痛和改善功能，延缓关节损伤的进一步发展，该治疗方法仅仅适用于骨性关节炎早期和中期。

2.2 微骨折技术作为一种最为简单、有效的治疗关节软骨的方式目前已经得到公认。其技术原理主要是通过关节软骨下钻孔，刺激骨髓，可将骨髓干细胞募集到软骨缺损处，刺激关节软骨进行修 复［11，12］。该技 术由 Steadman等［13］在前期 的软骨钻孔术的基础上进行创新改良。至今已经使用超过20余年。Steadman等［14］对采用该种修复方法的患者，随访7－17年（平均11.3年）结果显示总满意度为80%。此种方法费用低廉、易于操作，在严格手术适应证的情况下往往能获得满意的临床效果，目前已成为软骨损伤的一线治疗方法。

2.3 软骨移植是近年出现的一种新兴的治疗骨性关节炎的手段。软骨移植能够将完整的正常关节软骨移植于软骨缺损处，提供完整的关节软骨基质和有活力的软骨细胞，从而修复软骨缺损，改善关节畸形，减轻关节软骨的损害程度并缓解疼痛［15，16］。软骨的移植可以选择自体软骨也可选择同种异体软骨。自体软骨移植没有免疫排斥反应，成活率高，但是软骨来源有限。目前，临床上多采用“马赛克”技术移植自体软骨，可以有效增加移植软骨的修复面积［17］。董启榕［18］等自2000年10月～2002年10月.应用自体镶嵌式骨软骨移植术治疗膝关节软骨损伤6例，术后最长随访24个月，证明术前疼痛、肿胀、交锁均有明显改善。1例行膝关节MRI显示原软骨缺损区软骨表面平整，移植的骨软骨柱位置良好。当软骨缺损深至软骨下骨或者缺损面积较大时，患者自身无法提供足够的自体软骨时，则需要移植异体软骨。

3 生物治疗

关节软骨修复的理想状态是受损的软骨能持续生成透明样软骨，新生组织与周围组织融合，同时能够符合关节软骨的生物学和力学特性［19］。目前传统的治疗手段均无法满足该要求。保守治疗和关节镜下关节清理术均只能缓解软骨损伤的症状，无法延缓关节软骨损伤的进展；微骨折通过刺激骨髓，利用骨髓间充质细胞对受损部位产生部分修复，但修复组织多为纤维样软骨；最有希望彻底修复受损软骨的软骨移植又常常受到软骨来源的限制；因此，研究者尝试利用一些新兴的技术修复受损的关节软骨，使关节软骨达到较为理想的修复状态。

3.1 基因治疗 基因治疗的基本原理是利用目的基因修饰相关细胞，使其表达某些具有治疗作用的基因产物，促进缺损处软骨细胞的修复和增殖分化，并且可以在软骨再生过程中持续、高效地分泌生长因子，完成修复过程。

3.1.1 目前，研究较多的目的基因主要包括转化生长因子－β（Transforming growth factor－β，TGF－β）、骨形态发生蛋白（Bone morphogenetic protein，BMP）系列基因、胰岛素样生长因子（Insulin－like Growth Factor，IGF）、生长分化因 子－5（Growth differentiation factor－5，GDF－5）、转录因子 SOX9、转导分子SMADs等［20～22］。这些生长因子或者基因在体内通过激活细胞增殖、促进细胞外基质合成、抑制炎症、防止骨赘形成，从而修复受损的关节软骨。Lee［23］等利用TGF－β基因转染兔成纤维细胞，然后将经基因修饰的成纤维细胞回植入膝关节软骨缺损区，4～6周后发现新生的透明软骨组织将软骨缺损区域完全填充。Hidaka等［24］在体外用腺病毒载体介导BMP－7基因转染软骨细胞。结果发现细胞外基质中Ⅱ型胶原和糖胺多糖的含量增加，而且体外形成的软骨组织也变厚。但这些因子或基因的半衰期较短，常需要长期用药以维持具有治疗效果的药物浓度。但长期用药，特别是非靶向性的用药，对人体的副作用较大，容易对人体其他器官造成损害［25］。一种能够靶向传递目的基因，并使目的基因能够长期表达的基因转染载体就显得尤为重要。

3.1.2 基因转染的载体一直是基因治疗的研究热点。目前，常见的基因转染载体分为病毒载体和非病毒载体。病毒载体主要包括腺病毒系列载体 （Adeno－associatedvirus，AAV）、慢病毒载体 （Lentiviral vector，LV）等，非病毒基因载体转染包括显微注射法、电穿孔法、微粒轰击法（基因枪）、脂质体法或使用未结合的裸DNA法等。近年来，研究者为了实现靶向、控缓释传递基因目的，研究了一系列新的基因转染载体，如聚阳离子载体、磁性纳米颗粒等。温小粤［26］等利用阳离子载体壳聚糖微球成功转染人基因治疗兔膝关节早期骨关节炎。经过60d观察，壳聚糖微球转染 基因组的IL－1Ra与TGF－β的基因可持续表达，实验组软骨标本从外观、染色观察，损伤程度轻于对照组。

3.1.3 一般来说软骨细胞是基因治疗最常见的靶细胞，但是由于间充质干细胞也具有向软骨细胞分化的潜能，当损伤深及软骨下骨时，间充质干细胞仍可以修复受损的关节软骨，因此在某些研究中，骨髓间充质干细胞也可作为基因治疗的靶细胞［27］。Gelse K［28］等利用间充质干细胞为靶细胞，利用腺病毒转染生长因子BMP－2和IGF－1，然后将转染后的细胞注射到受损的关节软骨处，结果表明受损的关节软骨得到了一定程度的修复。基因治疗虽然能延缓软骨损伤的进一步发展，在一定程度上修复受损的关节软骨，但基因载体的安全性、目的基因在体内表达的稳定性、伦理学等问题限制了基因治疗的进一步应用［29］。目前关于基因治疗关节软骨缺损的研究仍主要集中在动物试验，距临床应用仍有一段距离。

3.2 细胞治疗 细胞治疗是指通过向组织内注射细胞，从而修复受损的组织。经过多年的研究，细胞治疗已逐渐走向临床，包括肿瘤免疫细胞治疗、干细胞治疗等。在治疗关节软骨疾病方面主要用于骨性关节炎所导致的关节软骨损伤［30］。所用的细胞主要包括各种来源的干细胞以及软骨细胞。干细胞主要包括间充质干细胞、脂肪干细胞、脐血干细胞、外周血干细胞等［31］，软骨细胞则包括自体软骨细胞和同种异体软骨细胞。

自体软骨细胞移植自1987年报道以来，至今已成功应用于临床20余年，是目前最成熟的修复软骨损伤的细胞治疗方法［32］。至今全球已开展了超过20万例病人的软骨细胞治疗，效果明显，有效率达70～85%，6～11年随访结果表明自体软骨细胞移植的疗效稳定［33］。自体软骨细胞移植法适用范围较为广泛，包括各种急性、磨损性创伤性关节软骨缺损、剥脱性骨软骨炎引起的关节软骨或者软骨缺损接受过关节镜手术治疗症状无改善或复发者。干细胞移植法受到干细胞的来源、伦理学、成瘤性等诸多问题限制，目前仍主要集中在动物试验，临床应用报道较少。2008年，Christopher［34］曾报道利用骨髓间充质干细胞治疗膝关节疾病的病例。经过24周的治疗后，可观察到患者关节运动情况明显改善，软骨和半月板显著生长，改进的目测类比VAS疼痛评分有所降低。

无论是干细胞还是软骨细胞移植，存在的最主要的问题均是如何保持细胞悬液在损伤部位的有效浓度。目前研究者主要通过研究新的细胞传递方式，维持细胞浓度。陈加荣等［35］利用超顺磁性氧化铁颗粒标记干细胞，利用磁力靶向将干细胞定位在关节腔内；杨建华等［36］将干细胞与藻酸盐凝胶介质构建成一个含有软骨细胞外基质的凝胶三维空间体系，将复合体植入裸鼠皮下异位构建组织工程软骨。

3.3 组织工程软骨 目前临床上关节软骨缺损已经有多种多样的治疗方式，但均不能从根本上解决关节软骨损伤，组织工程软骨仍被视为最有希望从根本上解决关节软骨损伤的方法。

组织工程软骨的基础研究主要集中在种子细胞和生物支架两个关键因素上。种子细胞包括各种来源的干细胞和软骨细胞。种子细胞经过多年的研究，已经取得了巨大的突破，一些种子细胞已直接用于细胞治疗。目前，种子细胞的研究重点在于如何促进细胞在支架上的三维生长，如何维持细胞的表型，从而形成具有生物学功能的组织［37］。生物支架是近年来构建组织工程软骨的研究热点之一。在传统的天然生物支架材料和合成支架材料的基础上，一些具有特殊功能的支架也逐渐进入研究者的视野，如复合支架材料［38］、可注射的支架材料［39］、药物定向释放支架材料［40］、仿生纳米支 架 材 料［41］等。这些支架材料具有特殊的理化性质可以促进软骨细胞的粘附分化，从而形成更符合生理状态的组织工程软骨。

近年来，国内外不同学科专家在软骨组织工程方面进行了大量的研究，取得了巨大成就，国内外均有组织工程软骨进入临床研究阶段。Fulco I［42］等利用组织工程软骨为5位因肿瘤切除鼻翼小叶的患者修复了切除的鼻翼小叶。术后1年，患者的鼻翼皮肤敏感性，结构稳定性和呼吸流量等各项指标均符合预期。由曹谊林教授领导的组织工程国家工程研究中心在组织工程软骨的研究方面取得了巨大的进展。Liu Y［43］等利用组织工程软骨成功修复了受损的猪关节软骨和半月板。该实验室在在完成大动物研究基础上，已着手准备开展小规模的临床实验。相信在不久的将来，组织工程软骨将有望大规模应用于临床，是一种极具希望从根本上修复关节软骨损伤的治疗方法。

4 小结与展望

关节软骨损伤后修复的理想状态是新生的软骨能较大程度的符合正常关节软骨的生物学和力学性能。研究者和临床工作者为了对受损的关节软骨达到理想的修复状态，针对关节软骨损伤的修复进行深入的研究和探索，对传统的治疗手段不断进行改进，一些新兴的治疗方法也逐渐应用于临床。基因治疗、细胞治疗和组织工程软骨是目前较为常见的三项新兴治疗方式。相较于其他两种技术，基因治疗由于载体的安全性和基因表达的稳定性等问题，目前仍局限于实验室研究阶段；细胞治疗经过多年的研究，已逐渐应用于临床，特别是自体软骨细胞移植治疗的患者已上万例，是一种极具希望的治疗关节软骨损伤的方法；组织工程软骨目前也有产品进入临床试验阶段，可望在不久的将来逐渐应用于临床。

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