骨髓间充质干细胞治疗股骨头坏死的研究进展

王鹏志 李盛华

（1 甘肃中医药大学2018 级硕士研究生 兰州730000；2 甘肃省中医院 兰州730050）

股骨头坏死（Osteonecrosis of the Femoral Head,ONFH）又称缺血性股骨头坏死，是一个渐进的病理过程，通常是股骨头血液供应遭到破坏，导致骨髓成分、骨细胞死亡，最终坏死部分塌陷，出现髋部疼痛，活动受限，严重影响生活质量，是骨科中较常见的难治性疾病。ONFH 在国内的发病率非常高，可发生于任何年龄，大多数患者处于疾病发展的早中期，在15 岁及以上人群中估计有812 万ONFH 患者[1]。而令人更加担忧的是在该病的早中期有很大一部分患者难以被发现和诊断，导致病情进展至晚期。所以，早中期诊断对延缓疾病的恶化和减少ONFH 患者进行髋关节置换术至关重要。目前，治疗早中期ONFH 的方法有带旋髂深血管蒂髂骨瓣移植术、经股骨粗隆旋转截骨术、髓芯减压术、钽棒植入术[2～5]等，这些治疗可以改善ONFH 患者的生活质量，然而患者终将发展至晚期并进行人工髋关节置换，而人工髋关节置换术不仅会让患者承担更高的经济成本和更大的手术风险，最为重要的是人工髋关节置换的远期疗效难以预测。与此同时，随着再生医学研究的逐渐深入，人们开始关注骨髓间充质干细胞（Bone Marrow Mesenchymal Stem Cells, BMSCs）治疗早中期ONFH。本文综述了BMSCs 治疗ONFH的研究进展。现报道如下：

1 ONFH 的病因和发病机制

自20 世纪60 年代以来，许多学者开始研究ONFH 的病因和发病机制，已经发现创伤、过量使用糖皮质激素[6]、大量饮酒[7]和吸烟、妊娠[8]、遗传、镰状细胞病、减压病等因素与ONFH 密不可分，但其发病机制至今尚未明确。一些学者提出了许多假设，如脂质代谢紊乱、骨质疏松、血管内皮损伤、血管内凝血、二次碰撞等。糖皮质激素是导致非创伤性股骨头坏死（Nontraumatic Osteonecrosis of Femoral Head,NONFH）的主要原因之一，其可直接作用于成骨细胞和破骨细胞，抑制成骨细胞和破骨细胞的生成，诱导成骨细胞的凋亡，同时延长破骨细胞的存活时间[9]。并且长期使用糖皮质激素会使骨细胞凋亡积累，进而导致骨坏死；另外，骨细胞凋亡增加也可导致血管内皮生长因子、骨骼血管生成，骨间质液和骨强度降低。酗酒同样被认为是导致NONFH 的主要危险因素之一，但目前还不清楚酒精诱导NONFH 发生的确切发病机理。在NONFH 的各种发病机制中，如成骨损伤、氧化应激、脂肪栓塞和高脂血症等都与酒精诱导骨代谢的病理有关[10]。针对ONFH 患者，要早诊断早治疗，促进成骨细胞分化，减少破骨细胞的形成，恢复ONFH 部位的血液供给，防止股骨头塌陷变形，从而减轻患者的疼痛和经济负担。

2 BMSCs 的生物特性及其功能

干细胞是一种能够自我更新的细胞，同时可以产生多种类型的细胞，BMSCs 是其中较为重要的一种，通常来自髂骨的骨髓[11]。一方面，BMSCs 是一种具有多向分化潜能的干细胞，可以进行无限的增殖与分化[12]，在一定的条件下可以向特定的方向转化，如成骨细胞、脂肪细胞、神经细胞、上皮细胞、软骨细胞、血管内皮细胞和其他中胚层细胞[13]等；另一方面，BMSCs 在体外培养过程中可以较容易获得和增殖，这使得BMSCs 在科学研究中具有很大的吸引力。科研人员利用BMSCs 的分化潜能来治疗许多疾病，如ONFH、椎间盘退变、脊髓损伤、脑梗死、急性肺损伤等，以期获得更好的治疗效果，满足患者的需求。

3 促进BMSCs 向成骨细胞分化因素

BMSCs 向成骨细胞分化的过程中需要一定的条件，而且受到诸多因素的影响，比如环境因素、自身调控因素等[14]。环境因素主要包括骨形态发生蛋白、激素、中药调控、冲击波、磁场等多种因素。骨形态发生蛋白（BMP）是转化生长因子-β（TGF-β）超家族的成员，在成骨细胞分化中具有重要的调节作用，可作为具有异位成骨能力的生长因子，主要是通过提高胞内骨桥蛋白、骨钙素及碱性磷酸酶（ACP）的活性来促使骨髓基质细胞向成骨细胞分化[15]。另外，还可调节BMSCs 的增殖分化和成骨细胞分化成熟，维持成骨细胞正常功能，从而使成骨细胞保持一定的数量、骨细胞群体数量保持稳定。BMSCs 体外分化为成骨细胞是通过特定的诱导培养基来实现的，其主要成分为地塞米松、抗坏血酸和β-甘油磷酸盐[16]。适宜浓度的地塞米松是一种诱导成骨细胞不可或缺的糖皮质激素，可提高碱性磷酸酶的活性，使细胞外基质胶原含量合成增加，进而促进向成骨细胞分化；抗坏血酸是促进成骨细胞增殖和分化的重要抗氧化剂[17]。成骨细胞的质膜具有抗坏血酸特异性的Na+依赖性转运蛋白，可调节细胞内抗坏血酸的含量，而且抗坏血酸在羟化酶的修复中起重要作用，并且是骨骼形成过程中必不可少的一环[18]；β-甘油磷酸盐可以充当骨盐磷的来源，可诱导细胞外相关激酶磷酸化成骨基因表达；研究发现，无机磷酸盐作为细胞内信号分子，可调节许多成骨基因的表达，包括骨桥蛋白基因和骨形态发生蛋白2（BMP2）[19～20]。

中医学认为，肾藏精，主骨生髓。补肾填精药物与干细胞分化为成骨细胞之间存在着不可分割的关系。有研究表明，左归丸和右归丸均能促进大鼠BMSCs 的增殖与成骨分化，同时抑制其破骨细胞与成脂细胞分化，两者均是通过上调BMP2 和Runt相关转录因子2（Runx2）的蛋白表达促进成骨分化，而左归丸又可以上调FNDC5 的蛋白表达促进成骨分化。Zhai 等[21]收集ONFH 患者的骨髓以研究体外冲击波对骨髓间充质干细胞的影响，结果表明，适宜强度的体外冲击波可渗透进微血管，加速毛细血管微循环，提高细胞摄取氧气的能力，改善血液微循环，为骨髓间充质干细胞的增殖，并向成骨细胞分化提供良好的条件。Fan 等[22]发现体外冲击波还可通过蛋白磷酸化作用促进骨细胞标志物（ALP、钙沉积、BMP2、Runx2）上调以及将脂肪来源的干细胞转化为成骨细胞。其作用机理可能是冲击波促进细胞内三磷腺苷（ATP）释放到细胞外，当细胞外ATP 浓度增加到一定程度时，可激活P2X7受体信号通路，引起BMSCs 向成骨细胞分化，从而促进钙化和成骨[23]。目前，自身调控因素主要是转录因子Runx2。转录因子是影响骨形成的重要因素，而转录因子Runx2 在骨形成过程中更是必不可少。它是成骨细胞开始分化的标志物，控制着几种关键成骨细胞相关基因的表达[24]。

4 BMSCs 治疗早中期ONFH

4.1 单纯BMSCs 治疗ONFH Yuan 等[25]检索PubMed、Embase 和Web of Science 数据库，分析了BMSCs 植入治疗ONFH 的临床疗效，发现接受BMSCs 植入治疗的ONFH 患者，ONFH 的发展较缓慢，全髋关节置换术发生率较低，Harris 髋关节评分升高。Hernigou 等[26]检索PubMed 数据库，检索词为“ONFH”和“BMSCs”，在所检索出的文章当中发现，应用BMSCs 治疗ONFH 具有一定的临床效果，并讨论了BMSCs 治疗ONFH 患者目前存在的问题和未来面临的挑战，但需要更大样本量试验来证实这些结论；在使用BMSCs 治疗ONFH 的过程中，是采用自体干细胞还是异体干细胞不仅存在争议而且存在伦理问题，仍需进一步探讨。

4.2 BMSCs 结合其他疗法治疗ONFH ONFH 是临床常见且难以治愈的疾病，在该病发生早期难以被发现和诊断，当出现明显症状和体征时，很难逆转疾病的发展，最终需进行人工髋关节置换。人工髋关节置换虽然能够在较短时间内恢复患者的功能活动，但是人工髋关节置换的长期疗效难以预测，一些患者需要再次进行髋关节置换，增加患者的痛苦和经济负担。在基础实验和临床研究中证实，使用BMSCs 治疗ONFH 有一定疗效，可以促进ONFH部位损伤修复。然而，单独使用BMSCs 治疗ONFH的效果并不明显优于髓芯减压术、自体骨移植术、体外冲击波[27]等治疗方法。因此，近些年，诸多学者的研究方向开始转向BMSCs 结合其他疗法治疗ONFH，这种治疗思路经临床研究证实有较好的临床疗效。

4.2.1 BMSCs 联合髓芯减压术治疗 ONFH Arbeloa-Gutierrez 等[28]将40 例（51 个髋关节）ONFH患者随机分为两组进行治疗，A 组（25 髋）行髓芯减压术，B 组（26 髋）于髓芯减压术后行自体BMSCs灌注。B 组患者的临床评分和平均髋部成活率明显优于A 组，但是该实验随访时间短，患者人数少，需要进一步研究更大的样本量和更长的随访时间，以更好地确定BMSCs 联合髓心减压术治疗骨坏死的效果。Tabatabaee 等[29]将18 例（28 例髋关节）早中期ONFH 患者随机分为两组，A 组患者行髓核减压联合股骨头内注射含BMSCs 的浓缩自体骨髓，B 组单独行髓核减压。所有患者的平均Harris 髋关节评分和疼痛评分均有显著改善（P＜0.001）；MRI 显示，A 组明显改善（P=0.046），B 组明显恶化（P ＜0.001）。结果表明，注射含BMSCs 的浓缩自体骨髓联合髓芯减压术是治疗早中期ONFH 的有效方法，这种治疗可以缓解患者的疼痛和改善关节功能障碍症状，并延缓疾病的进展。Xu 等[30]在2016 年9 月前，在8 个综合数据库中检索自体BMSCs 移植联合髓芯减压术治疗ONFH 疗效的随机对照试验，进行Meta 分析，共纳入11 项研究，507 名受试者。结果表明，自体BMSCs 移植联合髓芯减压术可明显改善Harris 髋关节评分，减少ONFH 面积，延缓疾病进展阶段的股骨头塌陷，并减少全髋关节置换。

4.2.2 BMSCs 联合自体骨移植治疗ONFH 自体骨移植术一方面可以清除坏死病灶，阻止骨坏死进一步发展，同时可降低骨内压，减轻疼痛；另一方面植入自体骨可以填充坏死病灶，给予力学支撑，防止出现塌陷。Wang 等[31]选取早中期ONFH 患者15 例（20 髋）作为研究对象，使用钻头等方法清除坏死病灶，并从同侧髂骨取出自体皮质骨和松质骨紧密地装入已清除坏死骨区域，将BMSCs 植入坏死骨区域，随访2 年，患者Harris 评分增加，所有患者均未进行髋关节置换。Kang 等[32]共纳入52 例（61 髋）ONFH 患者接受自体骨移植联合BMSCs 治疗，平均随访68 个月（60～88 个月），疼痛评分从3.8 分提高到5.3 分，平均移动能力得分由3.8 分提高到5.1分，平均行走能力得分由4.0 分提高到5.1 分，15 髋（小病灶）临床效果较好，20 髋（中等病灶）临床效果一般，26 髋（大病灶）临床效果较差，该研究结果表明，有较大病灶的患者不适合进行头部保留手术；对于小病灶的患者，该手术方法可以提供与其他手术相媲美的临床疗效。因此，使用该治疗方法应尽可能多地切除坏死骨，同时应用生物细胞合并骨移植物对软骨下区进行结构支撑，从而取得较为满意的临床效果。

4.2.3 其他方法 张波等[33]随机选用40 只新西兰成年兔，随机分为模型组、富血小板血浆组、BMSCs组和富血小板血浆联合BMSCs 组，建立成年兔NONFH 模型。使用苏木精-伊红染色，观察成年兔股骨头骨髓腔内的病理和骨陷窝空缺率的变化情况，结果使用富血小板血浆联合BMSCs 治疗NONFH 可使骨陷窝空缺率降低、骨小梁变粗、成骨细胞增多，这表明使用富含血小板的血浆联合BMSCs 治疗早期NONFH 可能有更好的效果。张宏军等[34]采用体外冲击波结合自体BMSCs 移植治疗ARCO 分期Ⅰ、Ⅱ期NONFH 患者40 例，随访12 个月和24 个月后，治疗组和对照组的Harris 评分和疼痛评分之间存在显著差异，差异均有统计学意义（P＜0.05），提示体外冲击波联合自体BMSCs 移植治疗早期ONFH，临床效果显著优于自体BMSCs移植治疗。多孔钽（PTA）是一种细胞友好的骨再生支架材料。Fu 等[35]为探讨PTA 联合BMSCs 治疗骨坏死的疗效，选用19 只成年兔建立了激素性股骨头坏死模型，BMSCs 植入PTA 后，用PCR 检测BMSCs 中AlP、OCN、OPN、CO1I、Run2 等成骨标志物mRNA 水平，并检测了骨形成率（BFR）。PTA 处理的BMSCs 中ALP 和OPN 的表达显著高于无PTA 处理的BMSCs（P＜0.05），认为使用BMSCs 联合PTA 治疗骨坏死可能是一种有效治疗NONFH的方法。

5 讨论

近些年来，科研与临床工作者对干细胞的研究逐步深入，其特有的生理特性为组织工程和再生医学开辟了新的领域，为科学研究和临床医生提供了治疗ONFH 的新思路，为患者带来了减轻疾病疼痛的新希望。通过对ONFH 患者使用不同的BMSCs给药方法和给药途径的研究，表明BMSCs 移植是一种安全的方法，它可以改善移植后患者的运动和感觉功能，提高生活质量，延长甚至避免人工髋关节置换。然而，使用BMSCs 治疗ONFH 仍然存在一些问题：（1）诸多实验选用样本数量不足，治疗后随访时间短，难以预测长期疗效；（2）有少数研究发现，在使用BMSCs 治疗ONFH 的过程中，其临床疗效并未明显优于以往的治疗方法，故仍需大量的动物和临床实验去分析使用BMSCs 治疗ONFH 是否有着显著疗效；（3）BMSCs 在临床使用当中如何广泛获取、提纯及保存仍需要进一步研究探讨，这也将是制约其在临床广泛使用的因素之一。使用这种治疗方法的目的是治疗早期和中期的ONFH，并防止疾病进展到晚期，降低人工髋关节置换率，所以早期发现和诊断也是使用BMSCs 治疗ONFH 的关键。