间充质干细胞治疗骨关节炎的临床研究进展*

唐文宝 谭洪波 周田华徐永清

骨关节炎（osteoarthritis，OA）临床表现为疼痛、活动度受限、活动时捻发音、关节不稳及肿胀等[1]。预计到2032年，45 岁以上人群中30%患有OA[2]。OA 可影响患者的肢体功能及生活质量，在发达国家，用于OA 的治疗费用可达国内生产总值的2.5%[3]。

人工关节假体置换术是治疗晚期OA 的金标准，但假体使用寿命有限且术后会产生诸多并发症[4]。故应注重OA 的早中期治疗，理想的治疗方案是改善患者的临床症状并促进软骨再生。目前，理疗、辅助支具、抗炎药物、止痛药、透明质酸（hyaluronic acid，HA）、糖皮质激素、关节镜清理术及截骨术等对症治疗并不能促进软骨修复，不能从本质上改善OA。富血小板血浆治疗OA 机制暂未明确，其可缓解疼痛并改善关节功能，但促进软骨再生能力欠佳。微骨折术操作简便，创伤小，但其再生软骨质量、患者肢体功能恢复情况不如骨软骨移植[5]。骨软骨移植操作侵袭性强，可引起供区病变，受区软骨表面融合欠佳，若供体来自异体，还会产生免疫反应[6]。软骨细胞移植能带来优良的中短期疗效，但容易在体外培养阶段无法维持自身表型，从而产生纤维软骨[7]。自体及异体、多种不同组织来源的MSCs 均在治疗OA 时无重大不良反应，并有改善临床症状、促进软骨再生的巨大潜能。一些治疗的组织浓缩物（如骨髓浓缩物、血管基质成分）中含MSCs，但MSCs 数量不易控制，细胞表型不均一，实验难以重复。而培养增殖后MSCs 则能克服这些缺点。

1 骨关节炎与间充质干细胞

关节软骨属于透明软骨，覆在关节表面，由少量软骨细胞和绝大部分细胞外基质组成，无血管和神经通过，再生能力弱。软骨基质主要由Ⅱ型胶原构成，胶原纤维网包裹着蛋白聚糖和糖蛋白，并为软骨提供结构框架和拉伸强度。关节软骨表面光滑，可减少摩擦，并可承重和分散应力。

诸多因素（年龄、肥胖、创伤、性别、畸形及遗传等）可致关节软骨修复与降解失衡，从而出现OA。OA 的发病机制较为复杂，可多因素相交叉。老年人关节软骨水分流失、蛋白聚糖破坏，软骨细胞衰老、减少，基质金属蛋白酶增多、基质分解增强[8]。负重不当及力学改变可致软骨损伤。肥胖者关节负重较大。脂肪组织分泌的高剂量瘦素可将软骨细胞抑制在生长间期，经p53/p21 通路激活诱导软骨细胞衰老；且高剂量瘦素通过雷帕霉素靶蛋白途径高表达p62基因，降低软骨对自噬标志性蛋白LC-3 的表达，以抑制其自噬；生理剂量的瘦素可诱导OA 中高表达长形瘦素受体的软骨细胞衰老[9]。当关节软骨遭到破坏，分解产生的细胞因子（主白细胞介素-1）、蛋白片段及应力等通过软骨细胞表面受体激活NF-B 信号通路，促进趋化因子、细胞因子及基质金属酶的表达，从而导致软骨细胞凋亡，软骨细胞外基质降解；同时细胞因子及降解产物也激活滑膜细胞表面受体，产生滑膜炎症[10]。关节内浅层中软骨祖细胞通过高迁移率族蛋白1 及晚期糖化终产物受体而迁徙到软骨受损部位[11]。软骨组细胞可高表达三磷酸腺苷结合转运蛋白G 超家族成员2 抗体、runt 相关转录因子2、Notch1 蛋白、基质金属蛋白酶，COL2A1 基因及蛋白聚糖低表达[11]。软骨源性祖细胞能有效地再生受损软骨，但其较高水平的趋化因子和细胞因子的表达以及过度的基质金属蛋白酶的产生可能会导致损伤关节的滑膜炎和软骨变性[11]。runt 相关转录因子2 可促进软骨细胞肥大[12]、软骨基质降解及骨形成[13]。肥大软骨细胞易形成钙化及骨赘[10]。软骨祖细胞可促进软骨祖细胞可分泌基质细胞衍生因子-1，促进周围软骨细胞产生血管内皮生长因子[14]。新生血管分布于关节软骨、软骨下骨及骨赘，并伴行有交感神经及感觉神经[15]。总之，OA 所涉及的因素很多，参与病程进程的因子及通路也较多，其主要表现为软骨减少、滑膜炎症、软骨下骨重塑及骨赘形成。

MSCs源于中胚层非造血成体干细胞，存在于多种组织中（骨髓、脂肪、滑膜和脐带等），可进行组织修复，维护其稳态[16]。国际细胞治疗协会表示，MSCs 应具备以下特点[17]：可对塑料贴附；细胞群95%及以上细胞表达CD73、CD90、CD105分子，且小于2%的细胞表达CD34、CD45、HLA-DR、CD14/CD11b 及CD79/CD19；在体外培养时能分化为骨细胞、软骨细胞及脂肪细胞。对于MSCs 治疗OA 方面，更倾向于MSCs 促进软骨修复，而非MSCs 在体内分化为软骨。MSCs来源的外泌体可通过增加Ⅱ型胶原和蛋白多糖等软骨细胞标志物的表达，减少基质金属蛋白酶等分解代谢标志物及炎症标志物的表达，促进软骨细胞增殖与迁徙，减少软骨细胞凋亡，阻断巨噬细胞活化等途径，阻止OA 软骨和骨降解[18]。临床病例研究中，同种异体MSCs 诱导的再生软骨细胞中只含患者DNA[19]。同种异体MSCs 并不会在受体内产生免疫排斥反应，可为老年、有基础疾病患者提供细胞来源。

2 骨髓来源间充质干细胞治疗骨关节炎

盆骨、股骨、胫骨处MSCs 增殖能力和细胞表型一致，但骨盆处骨髓间充质干细胞（bonemarrowderivedmesenchymal stem cells，BMMSCs）数量更多[20]。

2.1 自体骨髓间充质干细胞

自体BMMSCs 治疗软骨缺损后可发生一些局部不适反应，但Emadedin等表示术后检验结果无明显改变[21]。Wakitani等[22]最长11 余年随访中并未发生肿瘤。Davatchi 等[23]对Kellgren-Lawrence Ⅱ/Ⅲ期膝关节炎（knee osteoarthritis，KOA）患者进行8.0×106～9.0×106个细胞注射，在术后5年时，患者患肢功能较术后6 月时有所下降，但仍较治疗前有所改善。Lamo-Espinosa 等[24]予以1.0×107BMMSCs+HA、1.0×108BMMSCs+HA、HA（对照组）治疗KOA 患者，术后12 个月时，对照组活动度未见改善，而细胞治疗组西安大略和麦克马斯特大学骨关节炎指数（Osteoarthritis index at the university of Western Ontario and McMaster University，WOMAC）及视觉模拟评分（visual analogue scale，VAS）明显改善，且高剂量组活动改善度更佳。Al-Najar 等[25]使用自体BMMSCs 治疗Ⅱ/Ⅲ期KOA，术后12 个月软骨平均厚度由术前的2.15mm增至2.45mm。

2.2 同种异体骨髓间充质干细胞

同种异体BMMSCs（4.0×107）可促进软骨再生，并在疼痛、关节功能上较治疗前显著改善[26]。Gupta 等[27]使用较高剂量的细胞数（5.0×107、7.5×107、1.5×107）治疗时容易引起不良反应，如局部疼痛和肿胀，这可能与细胞浓度过高致细胞死亡、或高浓度细胞促炎症反应有关；使用较低数量（2.5×107）细胞治疗时疼痛缓解效果更佳，但软骨再生迹象不明显。de Windt 等[19]使用同种异体BMMSCs 联合软骨细胞（同种异体BMMSCs∶自体软骨细胞=9∶1/8∶2）治疗2～8 mm2软骨缺损时，术后12 个月新生软骨覆盖缺损处，且新生软骨和周围组织融合，蛋白多糖和II 型胶原浓度较高，两种混合比例对疗效无明显影响；术后18 个月VAS 由术前（45.3±24.2）分降至（9.7±15.4）分（P＜0.01），而膝关节损伤和骨关节炎结局评分（the knee injury and osteoarthritis outcome score，KOOS）则由（57.9±16.1）分提升至（85.4±13.3）分（P＜0.01）。

3 脂肪来源间充质干细胞治疗骨关节炎

脂肪间充质干细胞（adipose derived mesenchymal stem cells，ADMSCs）主取自腹部及臀部。人体ADMSCs 在体外培养过久（4～5 个月）会发生瘤变[28]。

3.1 自体脂肪间充质干细胞

自体ADMSCs 治疗KOA 时，患者WOMAC 显著改善，未发生严重不良反应[29]。联合富含血小板血浆还可治疗65岁以上KOA，并在疼痛和关节功能上明显改善，促进软骨再生[30]。与单纯微骨折相比，微骨折联合ADMSCs 治疗可显著改善临床疼痛和关节功能[31-32]，且这在病变面积大于109 mm2或存在软骨下囊肿时更为明显[32]。以纤维蛋白为支架，联合微骨折治疗KOA，在日常活动和生活质量方面和微骨折治疗法无明显差异，但KOOS 及软骨修复（Ⅱ型胶原和蛋白多糖）方面明显更优[33]。Pers 等[34]发现术后6 个月时，低剂量（2×106）更能缓解疼痛，WOMAC 也明显改善。而Jo 等[35]表示高剂量（1.0×108）比低中剂量（1.0×107、5.0×107）在改善临床疗效方面更持久。MSCs 治疗临床疼痛和功能改善明显优于保守治疗，单次和多次注射1.0×108细胞临床疗效无明显差异，但多次注射组更能延缓软骨减少[36]。

3.2 同种异体脂肪间充质干细胞骨关节炎

Kuah 等[37]使用同种异体ADMSCs 在治疗KOA 时，所有患者均有轻微不良反应（如关节痛、关节积液级关节僵硬等）。细胞治疗组（3.9×106～6.7×106）VAS 均有明显改善，而安慰剂组改善不明显。术后12 个月，细胞数量为3.9×106组在阻止软骨减少方面明显优于高剂量组和安慰剂组。Song等[38]使用同种异体ADMSCs 注射治疗KOA，并随访96周，患者接受剂量为5.0×107时关节功能、疼痛和软骨情况改善情况比1.0×107及2.0×107组更佳。

4 其他来源间充质干细胞治疗骨关节炎

滑膜MSCs 和骨髓/脂肪MSCs 相比，体外软骨形成能力更强[39]，且软骨分化表型稳定[40]。Akgun 等[41]使用滑膜MSCs（治疗组）和软骨细胞（对照组）联合Ⅰ/Ⅲ型胶原膜（并以纤维蛋白固定）治疗膝关节软骨缺损大于2 cm2患者，并进行为期2 年的随访。术后未发现感染、血栓、关节纤维化及移植物丢失等并发症。两组患者术后膝关节屈、伸及直腿抬高方面均有明显改善，但治疗组显著更优，KOOS 评分中疼痛、症状、日常生活活动及运动方面主观亚量表评分明显更好。

脐带MSCs 来源于脐带（华通胶或者脐静脉血），获取细胞过程无创，涉及伦理相对较少；畸胎瘤风险低，可多向分化[42]。王亚莉等[43]使用脐带MSCs 治疗膝关节软骨缺损（治疗组），在术后2～6 个月的随访中，Lysholm 评分、WOMAC 均明显改善，虽和HA 组（对照组）无差异，治疗后6 个月时膝关节磁共振提示治疗组软骨有一定程度修复。Park 等[44]使用脐带MSCs（1.1×107～2.0×107）结合HA，在微骨折条件下治疗7 例KOA，和术前比较，术后24周VAS 由49.1 分降至19.3 分（P＜0.05）、国际膝关节委员会评分由39.1 分升至63.2 分，并在7 年随访间评分无明显改变。术后1 年行关节镜检查提示软骨缺损处形成近似天然透明软骨，表面光滑、与周围软骨融合度佳；术后3 年磁共振成像提示粘多糖显著增多。

KhalifehSoltani 等[45]将20 例KOA 患者平均分为两组，并向试验组患者关节腔内注射同种异体胎盘MSCs（5.0×107～6.0×107），4 例患者出现轻微局部疼痛和积液，但2～3d 内消退。试验组术前平均关节活动度81.0°，术后2、8、24 周时分别提升为86.7°、117.3°、113.1°（P＜0.05），术后24 周时软骨厚度已有所改善。但疼痛未见改善，且和对照组（注射生理盐水）无明显差异。随访中对照组在关节活动度及软骨再生方面较术前无明显改善。

5 总结与展望

临床上多种MSCs 治疗OA 安全系数高，可有效改善临床症状或促进软骨再生。但目前研究大多随访时间短、样本量少，随机对照实验少，且无强力推荐使用证据。治疗最佳剂量、细胞种类、植入方式及形式，疗效持久性等问题均有待优化。高龄、高体重指数、大面积缺损及中重度OA 也是MSCs 疗法所需面对的难题。软骨修复MSCs 疗法，涉及领域和学科广泛，需多个学科密切合作促其成熟，以期给众多OA 患者带来福音。