细胞移植治疗椎间盘退变的研究进展△

王宇翔，徐海栋，赵建宁

（南京医科大学金陵临床医学院，江苏南京 210002）

下腰痛发病率近年来逐渐增加，终生患病率为84%，这与人口老龄化、肥胖率增加、不良的生活习惯等密切相关［1］。导致下腰痛的病因有很多，其中最常见的病因就是椎间盘退变［2］。腰椎间盘由纤维环、髓核和终板三个结构构成，随着年龄增大，纤维环逐渐松弛、髓核内含水量减少，最终可能发生椎间盘的膨出、突出甚至髓核的脱出，当退变突出的椎间盘压迫神经根时甚至会产生相应的臀腿部的疼痛。

椎间盘突出给整个社会带来巨大的经济负担。目前对于这种疾病的治疗方法主要有两种，一种是保守治疗，以卧床休息和药物止痛为主，另一种则是手术治疗，通过手术摘除突出的椎间盘，解除神经压迫缓解症状。但无论是哪种方法，都无法解决椎间盘内的促炎环境、细胞外基质合成代谢障碍、功能性细胞数量的减少和功能的丧失等问题［3］，并且可能会产生腰椎活动度减小、手术并发症等问题。

在这样的背景下，在疾病早期通过生物技术在细胞层面去延缓椎间盘退变的进程自然引起了人们的关注。由于髓核组织内没有血管，大大降低了细胞移植后发生免疫反应的风险，提高了同种异体细胞移植的可行性。通过向退变的椎间盘内移植具有正常分泌细胞外基质的功能细胞，可以改善髓核内部的不利于细胞生存的环境，减少功能细胞的凋亡。本文从植入的种子细胞、作为细胞移植载体的生物支架和促进细胞生存的生物因子等几个方面对近几年的相关研究作一文献综述。

1 种子细胞

目前的研究中，常用于细胞移植研究的种子细胞有髓核细胞和间充质干细胞。

1.1 髓核细胞

健康的椎间盘中髓核细胞稀疏，髓核中富含蛋白聚糖和水分，很大程度上分担了脊柱的负荷［4］。这些髓核细胞通过分泌蛋白聚糖和二型胶原蛋白来维持这些细胞外基质的功能［5］。因此当髓核细胞数量减少、功能异常时，通过外源性的细胞直接替换这些退变的细胞是最直接的办法，已有多项研究证明髓核细胞移植的有效性。Hirashi等［6］通过在犬退变椎间盘模型中植入预培养的髓核细胞，使得退变的椎间盘细胞外基质特征有明显改善；Wang等［7］的研究则表明将同种异体的髓核细胞移植到大鼠的椎间盘退变模型中能有效抑制细胞凋亡，并可以观察到细胞迁移增加，有效减少了椎间盘的退变。尽管目前应用于临床上的相关研究很少，但Mochida等［8］对9名患者的3年前瞻性安全性研究表明，3年随访期间未观察到不良反应，证实了这项技术临床应用的安全性。目前髓核细胞移植面临的最大问题是细胞来源不足，既难以从患者体内提取到足量的髓核细胞用于移植，又难以排除同种异体细胞移植潜在的健康安全问题，同时髓核细胞经过多次培养传代后容易发生表型消失、向成纤维细胞分化的问题，因此需要考虑采用来源更加丰富的细胞作为种子细胞。

1.2 干细胞

干细胞是具有高分化能力、高增殖率的一类细胞，目前已经可以从人体的多种组织中提取获得干细胞，包括骨髓、脂肪、肌肉、皮肤、骨膜、血液、滑膜等［9］。其中常用的是胚胎干细胞、诱导多能干细胞和间充质干细胞［10］。其中胚胎干细胞和诱导多能干细胞由于数量较少、存在发生肿瘤的可能等问题，应用受到限制。而间充质干细胞是源自于中胚层组织和器官的多能细胞，在适当的生长因子或诱导剂的诱导下，具有分化为其原始组织或器官的某些或全部细胞的能力。

目前已有较多研究显示出间充质干细胞用于治疗椎间盘退变性疾病的巨大潜力。为了促进间充质干细胞向髓核细胞分化，促进其合成蛋白聚糖和II型胶原蛋白，已尝试多种体外诱导方式，包括模拟椎间盘内的低氧环境［11］、使用II型胶原蛋白混合处理的水凝胶以及通过将髓核细胞与间充质干细胞混合培养等［12，13］，都可以促使其分化为髓核细胞表型。现有的动物实验证明多种来源的间充质干细胞可以用于治疗椎间盘退变性疾病。Perez-Cruet等［14］将脐带来源的间充质干细胞移植到兔的椎间盘退变模型中，观察到髓核的组织学结构得到增强，蛋白聚糖和水含量都显著改善。Li等［15］通过将骨髓来源的间充质干细胞植入兔椎间盘，观察到椎间盘高度指数和II型胶原蛋白水平明显增高，显著修复了变形的椎间盘纤维环。Wang等［16］将脂肪来源的间充质干细胞在软骨形成培养基中预分化7～10 d，其促进椎间盘再生的作用得到大大提高。

临床上已有一些初步的研究证明其安全性。Kumar等［17］在10例椎间盘退变的患者的髓核中植入了自体脂肪来源的间充质干细胞和透明质酸，随访1年后可观察到患者的ODI和VAS评分均得到改善，部分患者髓核的含水量增加。Petine等［18，19］则将患者的自体骨髓浓缩液注射到退变的髓核中，随访3年，观察到20名患者的ODI和VAS评分明显改善，同时观察到，注射的骨髓液中细胞浓度越高，患者的症状改善越明显，治疗过程中也没有发生注射相关的不良事件。

2 生物材料载体

为了模拟髓核的物理状态和为种子细胞提供一个适合生存的环境，需要利用一些生物材料构建适合的载体。目前常用的一些材料主要分为三种：

一种是天然材料，包括胶原蛋白、壳聚糖、透明质酸和藻酸盐等［20］。Omlor等［21］将纤维蛋白基质与间充质干细胞结合，植入猪椎间盘退变模型，经过12周治疗后发现椎间盘退变明显减少，且营养因子表达增多、炎症因子表达减少。Zhou等［22］使用II型胶原和硫酸软骨素的复合水凝胶构建细胞载体，在大鼠尾椎退变模型中植入后，使退变椎间盘的高度、水含量和细胞外基质的合成均得到改善。Zeng等［23］使用藻酸盐水凝胶作为间充质干细胞的载体将间充质干细胞植入犬椎间盘退变模型，经过6个月治疗后退变程度与对照组相比明显减轻。

还有一种是合成材料，包括聚乳酸、聚乙二醇等［20］。Pirvu 等［24］利用聚碳酸三亚甲基酯 （PTMC）作为间充质细胞的载体，同时使用聚酯酸酯（PU）膜修复断裂的纤维环防止髓核漏出，在牛椎间盘退变模型中恢复了椎间盘高度，同时诱导了合成代谢基因的表达上调和分解代谢基因的下调。Varma等使用氧化还原聚合的羧甲基纤维素水凝胶，体外培养人间充质干细胞，获得了丰富的蛋白聚糖和胶原蛋白等细胞外基质沉积。另外还有使用多空编制钛和自组装钛纳米纤维等作为载体材料，都显示出了良好的应用前景［25，26］。

最后一种是生物来源载体支架，利用脱细胞的髓核甚至是整个椎间盘脱细胞后进行移植［27，28］，经过血管重建和骨重塑后，脊柱的活动性和稳定性都能得到明显改善。Shan等［29］利用脱细胞的猪小肠粘膜下层制成颗粒，接种兔髓核细胞后植入兔椎间盘退变模型，有效预防了退变的进展。

3 生长因子

除了通过引入外源性功能细胞增加细胞数量外，如何减少细胞凋亡是另一个重要的研究方向。通过直接注射生长因子或者在种子细胞中通过病毒转染相关基因使其表达生长转化因子，可促进细胞从分解代谢状态向合成代谢状态转化，并减少细胞凋亡。目前已证明有多种生长因子在体外可刺激椎间盘细胞的增殖和基质合成，包括 TGF-β［30］、GDF-5［31］和 BMP-2［32］等。

TGF-β是调节多种细胞类型的生长、粘附和分化的多功能因子，同时也是一种强大的免疫抑制剂。在髓核内通过上调TGF-β诱导产生IκB来抑制NF-κB活性，从而减轻髓核内的炎症反应，减少髓核细胞的凋亡［33］。Jiang 等［34］通过将 TGF-β1 与间充质干细胞共同植入退变的大鼠髓核内，对变形的椎间盘明显起到修复作用，且这种修复作用强于单独植入间充质干细胞。

GDF-5也被称为软骨衍生的形态发生蛋白1，在1994年被确定为TGF-β超家族的新成员［35］。GDF-5在肌肉、骨骼的发育过程中起到关键作用，例如软骨内骨化、肌腱和韧带的形成、修复等［36］，因此考虑到其多效性可能有助于椎间盘退变的治疗。在GDF-5基因缺陷的模型小鼠中，可观察到椎间盘中的蛋白聚糖和II型胶原的表达明显下调，通过外源注入GDF-5后蛋白聚糖和II型胶原呈剂量依赖式的表达上升［37］。Colombier等［38］将 GDF-5 与 TGF-β1 协同作用以使脂肪来源的间充质干细胞向髓核样细胞分化，最终分泌了与天然髓核细胞相当的具有丰富的蛋白聚糖和II型胶原的细胞外基质。

4 展 望

目前细胞移植用于治疗椎间盘退变疾病已取得一定的进展，但在研究过程中仍然存在很多问题亟待解决，如如何进一步促进移植细胞的生存、减少凋亡；需要开发更加高效的载体生物材料；寻找创伤更小的移植方法等等。更重要的是，目前临床方面的研究还比较少，且多局限于论证细胞移植安全性的前瞻性研究，对于用什么方式、在椎间盘退变进展到何种程度时进行移植更有效等问题，目前尚无相关研究进行论证，因此这一治疗方式仍值得进一步探索。