脂肪间充质干细胞治疗膝关节骨关节炎应用进展

周立波 李克文 张国秋

骨关节炎（OA）是骨科常见疾病，也是引起老年人膝关节疼痛、功能减退和残疾的主要原因[1]。膝关节骨关节炎（KOA）作为常见的OA 类型[2]，其发病率逐年升高。由于关节软骨无血运，自我修复受到限制，最终导致进行性软骨丢失和关节退行性变[3]。目前KOA 治疗方法包括保守治疗（功能锻炼、药物治疗、关节内注射激素）和手术治疗[4-6]。尽管这些治疗方法可在一定程度上减轻患者的疼痛症状及改善关节活动度，但并不能促进受损关节软骨的再生[7]。以干细胞为基础的治疗方法已逐渐应用于关节软骨的修复和再生，并取得一定效果。脂肪间充质干细胞（ADMSC）作为种子细胞，具有成软骨潜能、自我更新能力和免疫调节能力，使其成为KOA 治疗中可修复受损软骨的理想工具[8]。

1 ADMSC 的特征及应用基础

ADMSC 可使组织修复的机制主要表现在以下方面：①可以分化为目标细胞，修复受损伤区域；②具有旁分泌作用，能够向邻近细胞分泌各种细胞因子和生长因子，促进受伤组织血管化和细胞增殖；③具有免疫调节作用，可以降低受损组织的炎症反应[9]。有学者认为，ADMSC 在免疫抑制、防止OA 病情进展方面的表现更为突出[10]。与骨髓间充质干细胞（MSC）相比，ADMSC 具有以下优势：①免疫原性低，无伦理问题，受供体年龄影响小；②更易获取且并发症发生率低；③长期培养遗传性能更稳定，增殖速度更快；④脂肪组织中间充质干细胞的数量和质量明显高于其它来源组织[11]。

2 ADMSC 治疗KOA 的临床应用

2.1 局部注射

局部注射ADMSC 是治疗KOA 最常用、最简便的方法[12]，可缓解疼痛、改善功能，其优势在于操作简便、可重复进行、创伤小。

为比较不同剂量ADMSC 对KOA 的疗效，Jo 等[13]对18 例KOA 患者采用不同剂量的自体ADMSC 进行关节腔注射治疗。他们将患者随机分为低剂量组（剂量为1.0×107个细胞）、中剂量组（剂量为5.0×107个细胞）和高剂量组（剂量为1.0×108个细胞）进行治疗，治疗后6 个月时显示，高剂量组患者的临床症状明显改善，关节镜和组织学检查均显示软骨再生情况明显优于其它两组。他们又进行了2 年的随访研究，结果发现，高剂量组患者临床疗效趋于稳定，而中、低剂量组临床疗效在1 年后趋于恶化。该研究提示，ADMSC 关节腔注射治疗时细胞数量与治疗效果呈正相关[14]。另一项研究将18 例重度KOA 患者随机分为低剂量组（2.0×106个细胞）、中剂量组（1.0×107个细胞）和高剂量组（5.0×107个细胞）接受ADMSC 关节腔注射治疗，结果显示低剂量组患者临床疗效明显优于其他两组。该研究认为，此结果可能由于低剂量组患者最初炎症水平较高，而治疗后炎症改善更明显，临床症状缓解也更显著[15]。目前的研究证据表明，ADMSC 局部注射治疗的疗效与注射剂量相关，采用高剂量可获得更佳的疗效。

有学者对ADMSC 治疗KOA 时采用多次膝关节注射与单次膝关节注射的治疗效果进行比较研究。Freitag 等[16]将30 例KOA患者随机分为3组，治疗组1 接受单次膝关节ADMSC 注射（剂量为1.0×108个细胞），治疗组2 接受2 次膝关节ADMSC 注射（间隔6 个月，每次剂量为1.0×108个细胞），对照组采用保守治疗。治疗后12 个月时显示，与对照组相比，关节内注射ADMSC 的患者临床症状均显著改善，其中接受2 次注射的患者获得更佳的临床疗效。该研究结果不仅证实增加ADMSC 注射频次可获得更好的临床疗效，同时也表明使用较高剂量（1.0×108个细胞）的ADMSC治疗KOA 是安全的。另一项研究首次在临床试验中对18 例KOA 患者进行3 次关节内自体ADMSC注射治疗。受试者被随机分为低剂量组(1.0×107个细胞)、中剂量组(2.0×107个细胞)和高剂量组(5.0×107个细胞)，2 年随访结果显示，高剂量组患者膝关节功能和生活质量均得到长期改善，且软骨厚度增加程度较低、中剂量组更显著。该研究团队认为，接受高剂量的关节内自体ADMSC 注射治疗且间隔一定时间进行重复注射，对KOA 患者的疗效是肯定的。不过，该研究的样本量较小且无对照组，可能影响试验结果的准确性[11]。目前关于关节内ADMSC 多次注射与单次注射的临床比较研究较少，还需要更多的研究结果加以验证。

既往研究已证实，自体ADMSC 治疗KOA 具有确切效果，为了更好地验证同种异体ADMSC的疗效与安全性，2020 年Lu 等[17]突破性采用同种异体ADMSC 行关节内注射治疗。他们将22 例轻、中度KOA 患者随机分为3 组，分别采用低剂量（1×107个细胞）、中剂量（2×107个细胞）、高剂量（5×107个细胞）ADMSC 治疗，所有患者均接受2 次双侧关节内注射。I 期试验结果显示， 3 组患者的疼痛视觉模拟评分（VAS）、健康调查简表（SF-36）评分、西安大略和麦克马斯特大学骨关节炎指数（WOMAC）均明显改善，表明关节内注射同种异体ADMSC 治疗KOA 安全有效。不过，针对同种异体ADMSC 治疗KOA 的研究较少，尚需开展更大规模的临床试验加以证实。

2.2 支架材料复合ADMSC 治疗KOA

治疗KOA 时，需将相应支架植入软骨缺损区域，以达到三维立体增殖培养的目的，同时植入的支架也能够诱导种子细胞的定向分布，以促使软骨功能及形态的修复。有学者认为，支架材料的选取在治疗KOA 的过程中具有重要意义，材料不同治疗效果也存在差异。

纤维蛋白胶是由纤维蛋白原和凝血酶组成的天然高分子物质，可作为组织再生的三维微结构。Jung 等[18]开展体内生成软骨的探索性研究，他们将人脂肪间充质干细胞（hADMSC）分化的软骨源性干细胞与纤维蛋白胶混合后皮下注射于裸鼠背部，发现裸鼠皮下层形成新的软骨。该实验表明，纤维蛋白胶支架可为ADMSC 增殖提供新的基质，促进ADMSC 分化为软骨细胞形成软骨。纤维蛋白胶支架的应用为开发有效的人工软骨提供了基础。

转化生长因子（TGF）-β3 是软骨生成过程中最重要的生长因子，TGF-β3与ADMSC 联合应用在体内外均能诱导ADMSC 分化为软骨细胞，这些软骨细胞具有与成熟软骨细胞相同的Ⅱ型胶原表达[19]。聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）微球支架拥有良好的缓释性和生物相容性，更有利于维持干细胞的存活、生长以及TGF-β3 的持续释放，为此Sun 等[20]采用含有hADMSC 和TGF-β3的PLGA 微球支架治疗兔OA 模型。他们将30 只OA 模型兔随机分为3 组，联合治疗组同时注射含hADMSC 和TGF-β3 的PLGA 微球支架，hADMSC组注射hADMSC，对照组注射生理盐水。注射后12 周，组织学分析表明,联合治疗组软骨修复效果最好，其次是hADMSC 组，对照组软骨修复最差，且联合治疗组的Ⅱ型胶原蛋白和聚集蛋白聚糖的基因表达均显著上调。研究结果证实，hADMSC、TGF-β3 和PLGA 微球支架的联合使用可显著促进关节软骨再生，减轻OA 严重程度。

Pak 等[21]将ADMSC 和细胞外基质（ECM）联合透明质酸、富血小板血浆（PRP）注射于3 例KOA 患者膝关节内，连续注射3 周，发现3 例患者的临床症状均较治疗前显著改善，磁共振成像（MRI）检查均显示软骨样组织再生。该研究显示，ADMSC 和ECM 联合透明质酸、PRP 注射是一种安全有效的微创治疗方法，可用于治疗KOA。但该研究仅包含3 例患者，且仅使用MRI 检查进行评估，而缺乏对关节软骨的组织学分析，其临床应用效果尚需进一步证实。

关于支架材料联合ADMSC 治疗KOA 的临床研究报道不多，但目前的研究结果表明，支架材料联合ADMSC 植入患者受损的关节软骨处，可获得组织病理学改善和软骨组织再生。

2.3 ADMSC 外泌体对KOA 的作用

外泌体是直径50 ～150 nm，内含核酸、脂质、蛋白质等多种活性物质的小脂质双层膜囊泡[22]。ADMSC 来源外泌体的生物学效应与ADMSC 相似，但可弥补直接细胞移植的缺点，为其在骨关节疾病中的临床应用提供了可能。骨髓间充质干细胞来源的外泌体已用于KOA 治疗，而ADMSC 外泌体治疗KOA 的研究报道很少。Tofiño-Vian 等[23]通过体外实验观察ADMSC 微囊泡和外泌体对KOA软骨细胞的作用。结果显示，ADMSC 外泌体可减少OA 软骨细胞中肿瘤坏死因子（TNF）-α、白细胞介素（IL）-6 等炎性因子的产生，明显增加抗炎因子IL-10 产生和Ⅱ型胶原表达。此外，ADMSC外泌体可以减少前列腺素E2 生成并降低基质金属蛋白酶（MMP）活性和MMP-13 的表达。因此，ADMSC 外泌体能有效降低软骨细胞中炎性细胞因子的产生，增加软骨细胞ECM 成分的表达，最终促进软骨组织再生，其可作为KOA 软骨修复的替代疗法。有学者单独分离出ADMSC 外泌体验证其抗炎作用并解释其成软骨机制。Zhao 等[24]开展相关研究，他们首先测试患者来源的ADMSC 是否可以分化为软骨源性谱系，他们检测到细胞中软骨分化的指标（糖胺聚糖），表明研究中的ADMSC是多能的。随后他们自ADMSC 中分离出外泌体，与活化的滑膜成纤维细胞共培养后发现，ADMSC外泌体可下调细胞的IL-6、TNF-α 和核因子-κB 水平，上调IL-10 水平，同时可明显降低软骨细胞凋亡，且当ADMSC 与外泌体共同培养时，ADMSC 具有更高的分化潜能，包括成软骨、成骨和成脂肪分化。这些结果提示ADMSC 外泌体在促进KOA 的软骨再生和抗炎方面具有巨大潜力。

对于ADMSC 外泌体治疗KOA 的安全性和疗效的更多认识，尚需开展进一步的体内研究试验。

3 结语

综上所述，ADMSC 在KOA 临床治疗中取得一定效果，但相关研究仍处于初级阶段，存在以下一些待解决问题：①ADMSC 注射治疗KOA 的短期疗效显著，但长期疗效有待进一步观察；②治疗所需ADMSC 的最大安全剂量尚需进一步探索；③支架存在免疫原性、支架降解产物的长期安全性、引起感染或疾病传播风险等问题。此外，对于外泌体治疗KOA 的作用机制应开展更多研究。