干细胞移植治疗股骨头骨坏死研究进展

魏伟 沈计荣

[摘要] 股骨头骨坏死（osteonecrosis of femoral head，ONFH）是骨关节科临床常见的疑难病、多发病之一，因发病机制尚未完全明确，故难以治疗，晚期致残率较高。近年来有不少研究均证实了干细胞移植对该病的较好疗效，如间充质干细胞、脂肪干细胞、外周血造血干细胞等多种干细胞均可以用于移植。本文将对运用干细胞移植治疗股骨头骨坏死目前的研究进展进行综述。

[关键词] 股骨头骨坏死;非手术治疗;手术治疗;干细胞移植治疗

[中图分类号] R681.8          [文献标识码] A          [文章编号] 1673-9701（2019）03-0164-05

[Abstract] Osteonecrosis of femoral head（ONFH） is one of the most common and frequently-occurring diseases in osteoarthritis. Because the pathogenesis is not completely clear， it is difficult to treat and the rate of late disability is high. In recent years， many studies have confirmed that stem cell transplantation has a good effect on ONFH. Various stem cells such as mesenchymal stem cells， adipose stem cells， and peripheral blood hematopoietic stem cells can be used for transplantation. This article will review the current research progress in the use of stem cell transplantation for the treatment of femoral head necrosis.

[Key words] Osteonecrosis of femoral head; Non-surgical treatment; Surgical treatment; Stem cell transplantation therapy

股骨头骨坏死（ONFH）是由多种因素破坏股骨头血供，从而导致骨细胞死亡或周围组织破坏，最终引起关节面塌陷及骨性关节炎的疾病，好发于20～50岁[1-3]。主要病因包括激素、酒精、创伤等[4，5]。王彥川[6]认为引起该病的常见原因有：长期烟酒史，特别是酒精的慢性中毒作用;长期应用糖皮质激素;创伤，特别是慢性损伤;约1/3的患者无任何诱因，无明确外伤史;肥胖、高血压、糖尿病等是易感因素。

该病是骨科常见病、疑难病，有较高的致残率。患者数量正逐年上升，据统计我国成人非创伤性ONFH的发病率为0.725%，并且呈逐步年轻化趋势，而在美国，每年新诊断出的病例高达10 000～20 000[7]，而全世界患者已达3000万[8]。

早期股骨头骨坏死（ARCO Ⅰ期及Ⅱ期）的治疗主要包括非手术和手术治疗。非手术治疗包括药物治疗、物理治疗等。手术治疗包括髓芯减压、旋转截骨等[9，10]。对于晚期患者（ARCO Ⅲ期及Ⅳ期），坏死区已经出现塌陷，大多数均需要接受关节置换术[11，12]。研究表明未经有效治疗的患者，随着病程进展在1～5年内将发生股骨头塌陷，以致严重影响关节功能而只能行关节置换手术[13]。

近年来，随着组织和细胞工程的发展，运用细胞移植进行治疗成为研究的热点之一。于长岁[14]认为ONFH是骨细胞及其前体细胞数目及生物学行为改变作用的结果，Hernigou等[15]研究了多种可用于移植的细胞，认为这些细胞可以在股骨头骨坏死的治疗中发挥一定作用，主要机制是通过细胞的增殖及定向分化、分泌相关细胞生长因子，从而促进坏死股骨头的修复。因此理论上细胞移植对股骨头骨坏死有一定治疗作用。多种细胞均可用于移植，其中应用较多的是干细胞。

本文就目前运用干细胞移植治疗股骨头骨坏死的临床及基础研究进行综述，并提出一些思考和展望，为今后的研究提供参考。

1 运用干细胞移植治疗股骨头骨坏死

1.1间充质干细胞（MSCs）

目前，MSCs主要作为髓芯减压术的补充以提高其临床疗效[16，17]。其中研究最多的是骨髓间充质干细胞（Bone Marrow Mesenchymal Stem Cells，BMSCs）。

Hernigou等[15]第一次将该细胞用于股骨头骨坏死的治疗。该团队采用髓芯减压后自体骨髓移植治疗116例患者（189髋），随访主要关注术前、术后Harris评分的变化、影像学上是否出现疾病进展，还有最后是否需要行关节置换术。随访发现术前属于塌陷前期（Steinberg Ⅰ期、Ⅱ期）的患者，术后Harris评分均有不同程度提高，145髋中仅有9髋最终需要行关节置换术。术前为塌陷后期（SteinbergⅢ期、Ⅳ期）的患者，Harris评分较术前下降，44髋中最终有25髋需要行关节置换术。术前属于塌陷前期的髋关节中，有59%在影像学上没有进展，33%出现了进展，有12髋（Steinberg Ⅰ期，8%）出现了好转，表现为0期。术前即为塌陷后期的髋关节术后均出现了疾病进展，说明在对股骨头坏死区行髓芯减压的同时局部注射骨髓间充质干细胞，可以有效改善患者髋关节功能，延缓病情进展。并且该方法对于塌陷前期的患者疗效更好，预后也更好。

有文献报道[18]运用骨髓间充质干细胞联合多孔钽棒植入、带血管蒂髂骨移植治疗终末期股骨头骨坏死，共24例患者（31髋）。其中ARCO Ⅲc期19髋，ARCO Ⅳ期12髋。术后平均随访时间为（64.35±13.03）个月。通过随访发现最终只有5髋需要行全髋关节置换术，保髋成功率ARCO Ⅲc期为89.47%，ARCO Ⅳ期为75%。术后平均Harris功能评分较术前显著提高，术前（38.74±5.88）分 ，术后（77.23±14.75）分。这说明在坏死局部移植骨髓间充质干细胞可以提高多孔钽棒植入、带血管蒂髂骨移植对于终末期股骨头骨坏死的治疗作用，改善患者髋关节功能，有效地推迟或避免全髋关节置换术的进行，并且分期相对较早的患者预后会更好。但该临床研究纳入的病例数较少，因此未来需要对更多患者进行更长时间的随访，以证实该方法的远期效果，并提高该方法用于股骨头骨坏死治疗的说服力。

相关研究[19]运用骨髓间充质干细胞联合富血小板血浆、髓芯减压治疗塌陷前股骨头骨坏死（Ficat Ⅰ期或Ⅱ期），共77髋，在髓芯减压之后于股骨头坏死部位局部注射骨髓间充质干细胞及富血小板血浆。术后平均随访17个月。在随访结束时发现仅有6髋（21%）出现了病情进展，最终需要行全髋关节置换术。有86%的患者表示术后疼痛明显缓解。由此得出在坏死局部注射骨髓间充质干细胞对于塌陷前股骨头骨坏死有较好治疗效果，可以显著缓解患者的疼痛并且阻止病情进展。但该临床研究术后观察指标较少并且随访时间较短，未来需要设计更加详细的术后观察指标并进行更长时间的随访，这样才能更好地体现该方法对于股骨头骨坏死的治疗作用。

虽然间充质干细胞在股骨头骨坏死的治疗中应用较多，但也存在一些不足。（1）随着供体年龄的增长和系统性疾病的增多，该细胞在体内外的成骨分化潜力均显著降低;（2）对该细胞进行长期培养可能会增加异常核型及恶性细胞变化的出现。

1.2 胚胎干细胞（Embryonic stem cells，ESCs）、诱导多能干细胞（Induced pluripotent stem cells，IPSCs）

Hwang等[20]发现，ESCs可以在体内分化成各种类型的细胞，其中就包括成骨细胞。IPSCs被证明具有向3个胚层多种细胞分化的能力，如成骨细胞、软骨细胞等[21，22]。因此在理论上两者均可用于骨组织修复。关于两者的研究主要集中在基础实验方面。

虽然两者在骨再生领域有着无限潜力，但均有一些不足：（1）伦理问题;（2）安全性，如应用ESCs时会增加畸胎瘤发生的风险;（3）培养条件过于复杂。

1.3 脂肪干细胞（ADSCs）

ADSCs具有多向分化潜能、向成骨细胞定向分化的能力[23]。

齐新文等[24]观察骨形态发生蛋白2（Bone Morphogenetic Protein2，BMP2）复合脂肪干细胞治疗兔股骨头缺血坏死的疗效。将48只新西兰大白兔造模后随机分为对照组、髓芯减压组、ADSCs组、BMP2复合ADSCs组。于术后2、4、6、8 周分批处死，每个时间点每组取3只动物进行X线摄片，之后大体观察股骨头表面情况及有无塌陷变形等。之后行组织学检查，主要观察缺损区骨小梁变化。ADSCs组与BMP2复合ADSCs组股骨头坏死区域的组织修复旺盛，新生骨小梁较多且逐步强化，X线未见明显的囊性变和股骨头塌陷。该研究表明ADSCs在植入坏死区后成骨较多，并且促进了坏死区的组织修复，有效地防止了股骨头的塌陷，这为ADSCs在临床上股骨头骨坏死治疗中的应用提供了一些理论依据。由于该研究联合运用了骨形态发生蛋白2和脂肪干细胞，因此还需要对比两者对于股骨头骨坏死的治疗作用，这样得出的结论会更有说服力。

Pak等[25]报道了1例利用脂肪干细胞联合富血小板血浆（Platelet-Riched Plasma，PRP）治疗早期缺血性股骨头坏死的病例。患者是一名43岁的男性，在2012年3月22日因右髋疼痛3个月来诊，有中等量饮酒史以及吸烟史，否认髋部外伤史。当时X线检查无异常，MR检查显示右侧Ficat Ⅰ期股骨头骨坏死。予口服非甾体抗炎药、对乙酰氨基酚治疗，效果不佳。考虑改用脂肪干细胞联合富血小板血浆（PRP）治疗。将含有ADSCs的基质血管成分和PRP、透明质酸进行混合，在超声引导下于右髋局部注射该混合物。后给予該患者额外注射4周PRP，每周1次。在治疗后3、18、21个月时进行随访，行MR检查，计算VAS行走指数、功能指数、Harris评分，并进行髋关节活动度的评价。在治疗3个月后患者严重的髋关节疼痛得到了明显缓解，疼痛评分、活动度和MR结果显示患者的缺血性股骨头坏死接近好转。在治疗18个月和21个月后患者的疼痛评分、活动度和MR结果显示患者的缺血性股骨头坏死完全好转。由此可见局部注射脂肪干细胞对早期缺血性股骨头坏死确有治疗作用，可以减轻患者的髋关节疼痛，改善关节功能，阻止病情进展，但该研究属于个案报道，还需要增加病例数，延长随访时间，并设置对照组。还有该研究联合运用了脂肪干细胞及富血小板血浆，因此还需对比一下两者的作用。这样得出的结论会更有说服力[26]。

ADSCs的具体成骨性能和机制目前尚不完全清楚，因此真正应用于临床还需要进一步研究其作用机制及副作用。

1.4 外周血造血干细胞（PBSCs）

PBSCs具有分化和组织修复能力，可以分化为骨细胞、软骨细胞等。

余莲[27]运用动员后自体PBSCs移植联合髓芯减压、隧道减压、死骨刮除加植骨治疗早中期股骨头骨坏死患者21例，ARCO Ⅰ期2例，Ⅱ期11例，Ⅲ期8例。术中所有患者均行髓芯减压+隧道减压，Ⅲ期患者加做死骨刮除加自体髂骨植骨。后经减压隧道注入自体干细胞混悬液。术后随访6～41个月，参照王岩等[28]股骨头缺血性坏死疗效评价法（百分法）对疼痛、行走距离、关节功能、X射线评价（建立在Ficat分期基础上）等指标进行治疗前后对比，综合评估治疗效果。疗效评价标准：优>90分，良75～90分，可60～74分，差<60分。最终有2例患者术后随访不足6个月未进行X射线或CT复查被剔除，其余19例患者全部完成6～41个月随访，总优良率为84.2%。Ⅰ、Ⅱ期优良率为100%，Ⅲ期优良率为62.5%，Ⅰ、Ⅱ期优良率明显大于Ⅲ期（χ2=4.92，P<0.05）。由此可见动员后自体外周造血干细胞移植用于早中期股骨头缺血性坏死可以获得较好疗效，患者术后疼痛较术前减轻，行走距离延长，关节功能得到明显改善，并且术前分期较早的患者预后更好。因此早期诊断并及时进行有效的治疗是提高股骨头骨坏死治疗效果的关键。不过该方法远期效果如何还需更多的病例积累和长期随访。

郑越等[29]观察头颈开窗减压自体髂骨联合PBSCs移植治疗早期股骨头缺血性坏死的效果。共随访21例患者（36髋），随访时间12～48个月。按ARCO分期标准，Ⅰ期7髋，Ⅱ期29髋。根据治疗前后症状、Harris评分、X线及CT结果进行评价，分析其治疗效果。随访发现其中29髋疼痛消失，活动自如，X线、CT显示股骨头密度、骨小梁结构、髋关节间隙较治疗前明显改善，疗效为优;6髋病情缓解，疗效为良;1髋病情加重，疗效为差，治疗总优良率为97%。患者Harris评分由治疗前平均（60.9±5.6）分增至治疗后平均（90.5±5.1）分，差异有显著性意义（P<0.05）。随访结果提示头颈开窗减压病灶清除植骨联合外周血造血干细胞移植对早中期股骨头骨坏死疗效较好，远期效果也有一定优势，是一种可能有效阻止股骨头塌陷、延缓全髋关节置换时间的治疗方法，若要取得完美的治疗效果有待于进一步临床观察，增加病例数并延长随访时间。

虽然PBSCs应用广泛，但如何将该细胞有效地分布到坏死区及达到有效浓度有待进一步研究。

1.5 骨骼干细胞（Skeletal Stem Cells，SSCs）

SSCs和打压植骨（Impact Bone Grafting，IBG）可以结合而产生一种机械稳定的活骨复合材料。这种治疗方案已被用于股骨头缺血性坏死的治疗[30]。

Aarvold[31]运用骨骼干细胞联合打压植骨治疗股骨头骨坏死。共4位患者，均为双侧股骨头骨坏死。患者的左髋均为Ficat and Arlet Ⅱ期，采用SSCs联合IBG进行治疗，有3位患者的右髋为Ficat and Arlet Ⅲ期或Ⅳ期，需要行全髋关节置换术。在移植前该团队还利用打压植骨所需同种异体骨（来自新鲜冷冻股骨头）以及SSCs样品进行了基础实验以确认细胞活性。通过随访发现，有3位患者在术后22～44个月表现出无症状，并且影像学上没有股骨头塌陷的证据。只有1位患者出现了病情进展，需要行双侧全髋关节置换术。在基础实验中，将样品在基础培养基中培养14、28、42天，每2周换1次培养基，之后用细胞追踪Cell Tracker green and ethidium homo-dimer（CTG-EH）进行染色，发现SSCs经过培养后能在体内存活较长时间并分化。在随访结束后该团队收集了出现病情进展的患者的双侧股骨头，行Micro-CT检查并重建，后进行固定。接着在样品股骨颈处取下适量正常的骨小梁、移植骨、皮质骨，在股骨头内取下适量的塌陷的坏死骨，对骨小梁、移植骨、坏死骨行组织学检查，对骨小梁、移植骨、皮质骨行机械检测。结果发现塌陷主要集中在坏死区，主要是残存的坏死骨造成的，不过在打压植骨处出现了有活性的新生骨。Micro-CT显示在打压植骨通道中没有任何坏死和纤维化组织，说明植入的骨组织保持了完整性，并得到了吸收或者重塑。组织学检查显示了打压植骨处出现了成熟的骨小梁结构。破骨细胞和Howship空隙标志着正常重塑和移植骨薄片状微结构的出现，空隙中出现了骨细胞，这些组织在结构上和正常骨小梁相同。这说明SSCs联合打压植骨可以促进经过重塑的骨结构的出现。压力测试显示新生骨的强度和正常骨小梁接近。移植骨的聚合体在植入早期会在很小的压力下破碎，但是移植骨最终均保持了自己的外形，这说明自植入后移植骨的结合力一直在增强。Micro-CT也显示移植骨是紧密连结的，结合压力测试结果，证明了打压植骨的结构完整性。结合临床研究和基础实验可以得出，SSCs联合IBG可以给坏死区成骨提供相应生物学刺激，促进结构、强度与正常骨小梁类似的新生骨的形成，从而给软骨下骨提供力学支撑，有效地阻止了股骨头坏死区的塌陷，也就推迟了患者行全髋关节置换术的时间。不过还需要进一步研究该方法的副作用以及将其与其他治疗方法进行比较，以更好地评估该方法对股骨头骨坏死的治疗作用。

2結论

虽然干细胞移植在股骨头骨坏死的治疗中取得了令人鼓舞的结果，但是该方法在广泛应用于临床之前还有一些问题需要考虑并解决：（1）干细胞的分离和扩增效率[32];（2）成骨标志物的表达及其稳定性[32];（3）如何将干细胞和支架或者载体联合应用可以提高治疗效果;（4）应用干细胞治疗的长期安全性。

3展望

目前关于干细胞移植在股骨头骨坏死治疗中应用的文献报道较多，但多集中在相关机制研究或动物试验方面。也有相关临床试验，但存在样本量少、随访时间短、方法学不够严谨或缺乏对照组等不足。因此如何在临床上开展大样本量随访时间较长的随机对照试验是未来的研究方向之一。

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（收稿日期：2018-07-19）