干细胞治疗骨科慢性疼痛的研究进展

祝兆琛 谢宗平

疼痛是一种与组织损伤或潜在的组织损伤相关的痛苦体验[1]，是骨科门诊患者就诊的最主要原因。慢性疼痛指持续或反复发作超过3个月的疼痛[2]，全世界范围内约15亿人受其困扰，给整个社会带来巨大负担[3]。引起骨科慢性疼痛的疾病主要包括骨关节炎(OA)、肌腱损伤和神经损伤等。目前，治疗骨科慢性疼痛的方法主要包括口服非甾体类抗炎药，局部封闭治疗及手术治疗(如关节置换术等)。但这些方法可能引起胃肠道不适及软骨损伤等不良反应，且疗效欠佳[4]。因此，探索新的治疗方法十分必要。研究显示，干细胞治疗对OA、肌腱疾病和神经损伤等具有良好的修复效果[5-6]。本文就干细胞治疗骨科相关慢性疼痛的研究进展进行综述。

1 骨科慢性疼痛形成的原因

骨骼、肌肉疼痛是骨科慢性疼痛的主要类型，常见者如关节痛、颈肩痛、腰背痛等[7]，其病因包括OA、肌腱疾病和神经损伤等。炎症是疼痛产生的主要原因。炎症的主要作用是清除引起细胞损伤的因素，并介导组织修复。同时，组织损伤后释放的炎性介质作用于外周初级传入神经的痛觉感受器，导致经典介质(如缓激肽、前列腺素和神经生长因子等)、促炎因子、趋化因子、微小RNA等释放，从而导致疼痛[8]。

关节内的滑膜炎症是OA产生疼痛的主要原因。在OA的滑膜组织中，单核细胞浸润并释放大量炎性介质，如肿瘤坏死因子(TNF)-α、白细胞介素(IL)-1β等。这些炎性介质通过释放下游炎性因子如基质金属蛋白酶(MMP)、细胞因子等促进疼痛的产生[9]。此外，痛觉感受器持续激活可增加脊髓背角的中枢神经元中神经递质释放，同时，损伤或炎症局部的神经末梢释放神经肽类因子，如P物质及TNF-α等，加重炎症反应[10]。

在肌腱疾病的发生发展中，IL-1β、IL-6、IL-17A、脊髓P物质等炎性因子与巨噬细胞和肥大细胞等免疫细胞相互作用，共同导致肌腱内慢性炎症的迁延，引起慢性疼痛[11-12]。

神经病理性疼痛的发生与神经系统炎症密切相关。外周神经损伤后，中枢神经系统内的小胶质细胞被激活并产生增殖[13]，在三磷酸腺苷、集落刺激因子(CSF)-1等刺激下，小胶质细胞内发生p38有丝分裂原活化蛋白激酶(MAPK)磷酸化，产生并释放TNF-α、IL-1β、IL-18、脑源性生长因子等细胞因子，以及环氧合酶(COX)、前列环素(PG)E2等炎性介质[14]，最终使疼痛信号传递到大脑，导致神经病理性疼痛发生。因此，局部组织或神经系统的炎症与骨科慢性疼痛的发生密切相关，缓解炎症反应是治疗骨科慢性疼痛的关键。

2 干细胞治疗骨科慢性疼痛的作用机制

干细胞具有强大的组织修复能力。由于胚胎干细胞存在伦理限制问题，目前再生医学领域主要使用间充质干细胞(MSC)等成体干细胞进行研究。MSC具有强大的免疫调节及抗炎作用，其可直接到达损伤及炎症部位，通过与免疫细胞交流和分泌可溶性分子的方式，直接或间接调节炎性反应[15]。MSC通过释放转化生长因子(TGF)-β1以及PGE2等物质参与调节T细胞数目，并可促使幼稚的CD4+T细胞分化为调节性T细胞，将分泌大量干扰素(IFN)-γ和TNF-α的Th1细胞转变为Th2细胞[16]。此外，MSC还通过调节自然杀伤细胞和B细胞的活性，与单核细胞、树突状细胞、巨噬细胞等相互作用，参与炎症的调节过程[17-18]。动物实验和临床试验已证实，MSC在移植物抗宿主反应、多发性硬化性骨关节炎、炎性气道疾病等炎症性疾病中均可发挥免疫调节功能[17]。综上所述，MSC可通过调节免疫因子或免疫细胞参与炎症反应以及炎性疾病的治疗。干细胞及其衍生物通过其强大的组织修复功能广泛应用于骨科疾病治疗的研究中[19]。

2.1 OA引起的慢性疼痛

OA是导致关节慢性疼痛的常见原因[20]。干细胞可与关节内的巨噬细胞等相互作用，参与下调OA过程中的炎性反应[21]。Ichiseki等[22]通过向关节腔内注射碘乙酸钠构建大鼠肩关节炎模型，并将MSC注射到其关节腔内。他们发现，与抗炎性反应及保护软骨相关的TNF-α刺激基因(TSG)-6的表达水平显著增高。同时发现，MSC可抑制脊髓后角中抗降钙素原基因相关肽等疼痛相关蛋白的表达，并抑制关节退变发生。干细胞来源外泌体作为干细胞的衍生物，可发挥与干细胞类似的功能。Khatab等[23]的研究发现，在鼠OA模型的关节腔内注射MSC分泌物可达到与注射MSC类似的缓解疼痛及修复软骨组织的效果。Zhang等[24]的研究发现，MSC来源的外泌体可激活下颌下关节内软骨的蛋白激酶B(AKT)信号转导通路、细胞外调节蛋白激酶(ERK)信号转导通路和腺嘌呤核糖核苷酸依赖的蛋白激酶(AMPK)信号转导通路，减轻关节内的炎症反应，从而缓解下颌下关节炎的疼痛。

2.2 肌腱疾病引起的慢性疼痛

肌腱疾病是由局部组织退变及炎症共同导致的骨骼肌肉系统常见疾病[11-12]。研究发现，将胚胎干细胞植入大鼠受损肌腱处可改善肌腱的结构及功能[25]。Xu等[26]报道，使用诱导多能干细胞来源的神经嵴干细胞对髌腱损伤进行修复有明显修复效果，但其长期效果尚待观察。动物实验证实MSC可促进肌腱修复[27]。此外，Wang等[28]的研究发现，肌腱干细胞来源的外泌体可通过维持肌腱细胞外基质的稳态而促进肌腱损伤的修复。虽然多种干细胞对于肌腱具有强大的修复作用，但其是否可以缓解肌腱疾病所致的疼痛尚不明确。

2.3 神经病理性疼痛

神经病理性疼痛是由于感觉神经系统的损伤或疾病导致的疼痛，与其他慢性疼痛相比，其疼痛程度更严重[29]。脊髓损伤及外周神经损伤等常导致患者出现慢性神经病理性疼痛。有学者建立广泛性神经损伤的神经病理性疼痛小鼠模型，在其侧脑室中移植人MSC。他们发现，小鼠的后足痛阈下降，且小鼠大脑皮质内的IL-1β和IL-17的表达降低，IL-10表达增高，β-半乳糖苷酶的过活化受到抑制[30]。另有学者研究发现，在神经病理性疼痛小鼠模型中，于尾静脉注射人MSC可起到缓解疼痛的作用[31]。对于外周神经损伤导致的神经病理性疼痛，有学者在损伤的坐骨神经局部移植脂肪来源的MSC,发现可降低大鼠的痛阈和热敏感性，且可减轻脊髓的结构改变，减少脊髓背角内细胞凋亡数目[32]。一项meta分析研究显示，干细胞移植可减轻脊髓损伤后的大鼠和小鼠的痛觉过敏现象[33]。有研究发现，在脊髓损伤的大鼠模型中，脊髓中移植骨髓间充质干细胞(BMSC)或脐带间充质干细胞(USMSC)均可明显缓解疼痛，两种细胞在缓解疼痛和恢复运动功能上无明显差异[34]。干细胞移植可明显降低巨噬细胞及局部小胶质细胞内磷酸化-p38MAPK的表达，并修复损伤的血-脊髓屏障，参与缓解神经病理性疼痛[35]。此外，有研究发现，将胚胎干细胞来源的γ-氨基丁酸能神经元移植到脊髓损伤区可明显抑制慢性神经病理性疼痛[36]。除干细胞外，干细胞外泌体对缓解神经病理性疼痛也有良好效果。Shiue等[37]建立大鼠神经损伤性疼痛模型，使用人UCMSC来源的外泌体治疗，发现持续性鞘内注射外泌体可明显缓解疼痛，且可降低大鼠脊髓后角神经节中TNF-α和IL-1β的表达，升高IL-10和脑源性神经营养因子的表达。

干细胞在治疗多种退行性病变及炎性疾病中均取得良好效果。干细胞也可起到缓解疼痛的作用，但相关研究相对较少，且主要聚焦于干细胞的抗炎效果。除抗炎外，干细胞还通过哪些途径与机制发挥止痛效果尚待进一步研究。疼痛作为一种主观感受，在动物模型实验中只能通过疼痛相关通路的检测和动物行为学的观察进行评估，仅具有一定参考作用。干细胞对疼痛的治疗作用还需大量临床研究进行验证和评估。

3 干细胞治疗骨科慢性疼痛的临床应用

3.1 治疗OA慢性疼痛

Centeno等[38]报道，在1例膝关节OA患者的关节腔内注射BMSC可缓解其95%的疼痛，且MRI影像显示,半月板和关节透明软骨的厚度增加。Emadedin等[39]对17例OA患者关节腔内注射自体MSC，治疗6个月后患者的平均西大略湖和麦克马斯特大学骨关节炎评分(WOMAC)从47分降至17分(满分100分)，但治疗30个月后其WOMAC评分又返回治疗前水平。Vega等[40]对膝关节OA患者予关节腔内注射同种异体BMSC(15例)或玻璃酸钠(15例)，随访1年发现，干细胞缓解疼痛的效果是玻璃酸钠的2倍，且具有相当的安全性。此外，Ⅱ期临床试验中也显示，在膝关节OA患者关节腔内注射自体脂肪来源的间充质干细胞(ADMSC)，可明显改善患者的疼痛症状和关节功能。随访6个月，患者的平均疼痛视觉模拟评分(VAS)从6.8分降至3.4分[41]。研究显示，多种来源的MSC均可改善膝关节OA患者的疼痛症状，且在疾病早期接受治疗者可获得更好的疗效[42]。为探究干细胞对OA治疗的安全性，Peeters等[43]采用系统综述方法评估了8项(共844例患者)采用局部自体BMSC移植治疗OA的研究，发现其并发症和不良反应发生率均较低。他们认为干细胞疗法是一种安全的治疗方法。

综上所述，目前大量临床试验已验证干细胞对OA引起疼痛的治疗作用，但仍缺乏大规模多中心的随机对照试验以验证干细胞对OA的治疗效果。

3.2 治疗肌腱疾病慢性疼痛

肌腱疾病是以疼痛、肿胀、功能受限为特征的肌腱退行性病变。在肌腱疾病导致的疼痛中，干细胞疗法也可起到明显镇痛作用[44]。Pascual-Garrido等[45]对8例因慢性髌骨肌腱病进行自体BMSC治疗的患者进行了5年随访。患者在治疗后疼痛均有明显缓解，且对治疗满意度高。一项研究发现，对肱骨外上髁炎患者在超声引导下注射同种异体ADMSC到损伤局部，治疗后52周随访时，疼痛VAS从(66.8±14.5)mm降至(14.8±13.1)mm[46]。Jo等[47]报道了首个肌腱内注射自体ADMSC治疗肩袖损伤病例，注射后患者的VAS评分下降了71%，肩关节功能明显恢复，MRI检查显示关节囊侧肌腱缺损恢复90%，未出现严重治疗相关不良反应。

虽然目前研究显示干细胞对于肌腱疾病疗效较好，但由于相关临床试验较少，尚需更多临床研究验证各类干细胞在肌腱疾病治疗中的短期及中长期疗效。

3.3 治疗慢性神经病理性疼痛

慢性神经病理性疼痛的治疗方法尤为欠缺，需要更多途径对神经损伤进行修复与治疗。Venturi等[48]通过自体脂肪组织结合干细胞局部移植治疗难治性阴部神经痛。治疗12个月后，15例受试者中10例疼痛明显减轻(平均VAS评分从8.1分降至3.2分)，且对神经传导功能未有明显影响。Vaquero等[49]将自体BMSC注射入蛛网膜下腔治疗脊髓损伤后神经病理性疼痛，共纳入10例患者，注射后1个月患者VAS评分明显降低。

虽然关于干细胞治疗脊髓损伤等导致的神经病理性疼痛的研究较多，但主要集中在基础研究领域，其机制与疗效尚待进一步探索。

4 小结

尽管许多研究已证实干细胞在骨科慢性疼痛治疗中具有积极作用，但是这些研究尚在临床试验阶段，纳入患者数量少且无随机对照试验。关于干细胞的提纯和分类尚无统一标准，不同来源和种类的干细胞的生物学功能也不尽相同。此外，干细胞移植存在成瘤和促瘤生长的风险，其有效性和安全性尚待进一步评估。干细胞外泌体作为干细胞发挥功能的主要物质也具有缓解慢性疼痛的作用，且在制备、储存以及安全性上更具优势。未来需对干细胞及其外泌体内的生物活性物质进一步探索以阐明其在治疗慢性疼痛中的作用机制，并开展更多大规模的随机对照临床试验。