间充质干细胞促进软骨修复治疗骨关节炎的机制及应用进展

李泽琴，杨佳明，高峰，陈婧，叶花，王茂源，5

1 赣南医学院康复学院，江西赣州 341000；2 赣南医学院第一附属医院康复医学科；3 中国康复研究中心北京博爱医院；4 首都医科大学康复医学院；5 赣州市康复医学重点实验室

骨关节炎（OA）是一种以关节软骨损伤为主的与衰老相关的慢性退行性疾病，可引起受累人群关节疼痛、关节功能下降，严重时会导致患者躯体残疾，生活质量降低。流行病学调查显示，症状性OA患者数量从1990年至2017年增加了3.5倍［1］。据统计，全球超过5亿人患有OA，治疗OA相关的医疗费用巨大［2］。随着老龄化加剧，数量逐年增加的OA患者会给社会带来更加沉重的负担。临床对OA的治疗主要包括药物治疗［3-4］和非药物治疗［5］。当前临床主要是对症治疗，并不能促进骨和软骨再生。此外，药物的长期服用会产生一定不良反应，对患者的心血管功能产生影响［6］。非药物治疗中的物理因子治疗、运动治疗的周期较长，常作为辅助性治疗；手术治疗（如关节置换术）对OA患者产生创伤较大，恢复时间较长，且会限制关节的活动度及功能（髋关节置换术后患者髋关节不能过度屈曲、内收内旋等动作）［5］。间充质干细胞（MSCs）作为一种多能干细胞，具有自我更新、增殖能力强、能多向分化等特征。研究表明，MSCs广泛分布于骨髓、脂肪、脐带、滑膜等组织中，能诱导分化为成骨、软骨、脂肪和肌细胞等［7］。MSCs能通过分泌外泌体、生长因子、细胞因子、抗炎因子和其他生物活性分子来改善局部微环境［8］，通过促进促凋亡和抗凋亡分子、促血管生成和抗血管生成因子及促炎症和抗炎症因子之间的平衡，从而提高软骨细胞的活力和软骨糖胺聚糖含量，发挥免疫调节和抗炎特性，从而缓解OA的关节变性［9］。细胞外囊泡是细胞传输中的重要介质，MSCs主要是通过旁分泌作用以细胞外囊泡的形式完成细胞与细胞间的物质交换和信号传导。细胞外囊泡依据直径大小和释放方式不同又主要分为外泌体、微泡、凋亡小体三种［10］。在特定情况下培养的MSCs具有分化为骨、软骨的能力，促进骨与软骨再生，并抑制炎症，为OA的治疗带来新希望［7］。现就MSCs促进软骨修复治疗骨关节炎的机制及应用进展情况综述如下。

1 MSCs治疗OA的作用机制

MSCs在细胞再生方面表现出较好的潜力，但在调控靶细胞中的作用机制较复杂。OA的病因复杂，研究发现其发生与年龄、性别、体质量指数、遗传易感性、生物节律改变等有关［11］。综合OA的发病原因和MSCs的生物学特性，MSCs治疗OA的作用机制可能主要与自噬、细胞凋亡、促炎细胞因子、免疫调节等有关。在OA发生过程中，自噬和凋亡同时发生，且两者之间的关系复杂。自噬保护软骨细胞免受细胞凋亡，这可能与软骨分化有关，而MSCs可通过增强自噬，减少软骨细胞凋亡，调节软骨基质的酶来延缓OA进展［12］。另外，MSCs通过分泌转化生长因子-β、血管生成因子、胰岛素生长因子1、成纤维细胞生长因子1和成纤维细胞生长因子2等因子来发挥抗凋亡作用［13］。在OA发生过程中会产生大量炎性因子，而MSCs能降低肿瘤坏死因子-α（TNF-α）、白细胞介素-1、白细胞介素-6等促炎因子表达，并增加抗炎介质产生［14］。在MSCs所抑制的促炎因子中，TNF-α和白细胞介素-1β会引起软骨变性，使软骨细胞死亡和软骨基质降解增加，同时软骨的合成与再生会受抑，而M1巨噬细胞常倾向于释放这种促炎因子［15］。与M1相比，M2巨噬细胞能分泌白细胞介素-10、白细胞介素-1受体拮抗剂、趋化因子等抗炎因子，以及转化生长因子-β和胰岛素生长因子等促软骨细胞因子，具有抗炎作用并诱导软骨细胞的增殖，从而促进软骨修复。MSCs可使指示基因的表达由M1向M2过渡，促进巨噬细胞极化为M2表型，使巨噬细胞能表现出抗炎特性，并上调CD206、增加白细胞介素-10的合成、减少白细胞介素-1β的分泌，通过多种细胞类型的协调和有效激活来实现有效的软骨再生［16］。

2 不同来源的MSCs在治疗OA中的应用

SHOUKRIE等［17］研究发现，关节内注射MSCs可在短时间内减轻膝骨关节炎患者的疼痛并增强其功能，保护软骨并减缓关节软骨的恶化，说明MSCs治疗OA有效，虽然部分患者有轻微不适（膝关节疼痛、肿胀等），但总体来说MSCs是一种较安全的治疗方式。基于多能干细胞强大的增殖和分化能力，不同来源和类型的MSCs表现为不同特性，在治疗OA促进骨再生中的疗效不尽相同。

2.1 骨髓间充质干细胞（BMSCs） BMSCs主要从骨髓中提取出来，因其再生能力强，并具有成骨和成软骨潜能，使得BMSCs在治疗骨关节炎上的效果广受关注。研究表明，BMSCs是骨组织工程和再生医学应用中金标准的细胞群［18］。不仅如此，BMSCs还有抗炎和免疫调节作用，注射BMSCs后，促炎因子白细胞介素-12、p40水平降低，促炎单核细胞、巨噬细胞亚群减少，起到降低OA患者滑膜炎症的作用，从而改善晚期膝关节OA患者的被动关节活动度［19］。值得注意的是，来自相同部位，但使用不同方法采集的BMSCs治疗OA时效果差异较大。SIVASUBRAMANIYAN等［20］发现，通过刮取法获得的BMSCs与抽吸法获得的相比，前者群体倍增时间短，有更多的集落形成BMSCs，且形成的软骨更多。可见，提取方式不同会导致提取的细胞所在部位的空间位置发生改变，从而使细胞表现出不同特性。我们可根据所需，选择合适的细胞提取方法。虽然BMSCs被应用为组织工程和再生医学中的理想种子细胞，但其提取需进行骨髓穿刺等侵入性手术，在实际应用中受限。

2.2 脂肪间充质干细胞（AD-MSCs） AD-MSCs普遍来源于脂肪，具有来源丰富、易于采集、创伤小、并发症发生率低、增殖潜能较高等特点［21］。AD-MSCs同样具备多向分化潜能，具有分化为脂肪细胞和骨细胞的能力。虽然AD-MSCs的软骨修复性不如BMSCs，但AD-MSCs显示出更强免疫调节潜力，可诱导免疫细胞向关节中的抗炎表型转变［22］。另外，脂肪组织中的干细胞已被证明比骨髓中多500倍左右，AD-MSCs在培养中易快速扩增，传代较高的细胞仍能保持干细胞表型和多能特性［23］。不仅如此，还能减少软骨细胞的肥大和去分化，抑制滑膜增厚，保护关节不受破坏，进而延缓OA的发生与进展［24］。因此，AD-MSCs被认为是治疗OA和软骨损伤的理想候选者。

2.3 脐带血间充质干细胞（UCB-MSCs） UCB-MSCs因其易获取、增殖和分化能力强、致瘤性低、表型稳定、免疫调节活性高等特点，在OA治疗中备受关注［25］。UCB-MSCs可通过下调软骨降解酶表达，抑制关节软骨的降解，刺激损伤软骨细胞的增殖，防止软骨退变；通过抑制促炎细胞因子TNF-α和白细胞介素-1β的表达和促进抗炎因子TNF-α刺激蛋白-6和白细胞介素-1受体拮抗剂的表达来减轻炎症反应，保护关节软骨免受损伤［26］。另外，UCB-MSCs来源的外泌体可抑制由白细胞介素-1β诱导的OA软骨细胞凋亡，有效抑制炎症，并通过传递miRNA和关键蛋白来调控M2巨噬细胞极化的PI3K/Akt信号通路，达到减少炎症的目的，继而有效控制OA的发展［27］。不仅如此，UCB-MSCs还能分泌大量耐受因子，包括白细胞介素-10和转化生长因子-β1，且很少从同种异体T细胞中产生体外免疫反应，说明UCB-MSCs免疫原性低，且免疫调节特性良好［28］。多数成人同种异体的MSCs在移植中可能会产生诸多风险，如宿主排斥、免疫反应、致瘤性等，但UCB-MSCs在这些方面有较好表现，因此获得更多关注。

2.4 滑膜间质干细胞（SMSCs） MSCs为软骨损伤修复带来希望，而相对不同来源的MSCs，SMCSs具有更好的成骨和软骨分化潜力，在软骨修复方面，SMSCs具有更大的利用价值。与其他来源的MSCs相比，SMCSs不仅具有更大的成软骨分化潜力，而且还有易获得、高增殖率、低免疫原性等优势［29］。SMSCs和UCB-MSCs虽均为长梭形贴壁细胞，但UCB-MSCs有更强增殖和迁移能力，而SMSCs拥有更强早期成骨和软骨修复能力［30］。不仅如此，与AD-MSCs相比，SMSCs不仅具有与其相同的成脂潜能，而且还具有更高集落形成效率、增殖潜能、成骨和成软骨潜能，并且其分化能力与供体年龄无关，因为从不同年龄供体的纤维滑膜和脂肪滑膜中收获的细胞表现出相似的自我更新和分化能力［31］。BMSCs、AD-MSCs、UCB-MSCs的增殖能力、成骨与软骨形成潜力、免疫调节能力等随着供体年龄增加而降低，而自体MSCs在镇痛、骨再生、缓解OA症状等方面优于同种异体MSCs［32］。可见，相比其他来源的MSCs，SMSCs在供体年龄选择方面有更大优势，能避免老年患者自体移植MSCs治疗OA时，因年龄大而影响软骨形成和增殖潜能等。

3 MSCs来源的外泌体在治疗OA中的应用

外泌体是各种旁分泌的中间介质，在细胞间通讯中起不可或缺的作用。由于其没有细胞结构，没有代谢，因此，具有较高的稳定性，对所干预的环境没有影响，不会在分化过程中形成肿瘤［33］。MSCs衍生的外泌体有MSCs类似的生物学特性，如抗炎和免疫调节特性，炎症与OA的进展密切相关，外泌体中的miRNA可介导细胞间通讯和基因调控，包括软骨形成及变性，有利于控制关节炎症，延缓OA进展，被认为是MSCs无细胞治疗OA的理想替代品［34］。外泌体miR-92a-3p通过靶向WNT5A mRNA，可促进成软骨细胞增殖分化，降低软骨降解的作用，并激活基质金属蛋白酶，减少软骨形成后期软骨细胞外基质，从而改善OA［35］。此外，除了软骨再生的能力，外泌体还能通过增加软骨细胞标志物的表达，同时抑制分解代谢基因来延长白细胞介素-1β诱导的软骨细胞存活期，上调Ⅱ型胶原蛋白，重新合成细胞外基质来实现软骨保护，防止软骨细胞肥大，避免软骨细胞变性［36］。外泌体在体内的递送系统可规避MSCs细胞治疗的缺点，是促进软骨修复的有效手段，但基于外泌体治疗OA的临床研究还有待验证。

4 MSCs与其他手段联合在治疗OA中的应用

MSCs单独作用于OA，能延缓软骨损伤，促进骨与软骨再生，从而改善OA。近年来，研究者在使用MSCs治疗OA时联合其他治疗方法取得新突破。如与药物、不同来源的MSCs、天然药物化合物、物理因子等治疗方式联合使用，从而更好治疗OA和软骨损伤。由于MSCs来源不同，其生物学特性会有所差异，所以疗效不同。如SMSCs具有更好的成骨潜能，UCB-MSCs免疫源性、致瘤性更低。当两者共同作用时，是否会产生协同效应，将两者的优点结合起来，从而对OA和软骨损伤表现出更好的疗效。另外，如今人们用天然产物治疗OA的兴趣日益浓厚，如芦荟、大蒜、姜黄、生姜、绿茶等在治疗各种骨骼疾病中得到广泛应用。因其天然无害，能以理想的速率持续释放，为组织生长留出足够时间，将组织毒性的风险降到最低，并介导骨再生过程［37］。所以，这些天然产物可尝试与MSCs联用来治疗OA和软骨损伤，激发协同效应，将两者的优势结合，以增加其疗效。

有研究者将富血小板血浆与AD-MSCs联合作用于患有OA的犬关节腔内，发现其能有效改善患犬跛行，减轻疼痛，从而提高犬的生活质量，且疗效能维持6个月以上，且无临床证据表明两者联用会增加恶性肿瘤或免疫性疾病的风险［23］。另外，AD-MSCs与高压氧联合治疗OA时，在28 d后逆转了软骨变性，使血清TNF-α和白细胞介素-6水平降低，血清白细胞介素-10和血管内皮生长因子水平升高，且AD-MSCs与高压氧联合治疗比两者单独治疗效果更优［38］。BMSCs和鹿瓜多肽液联合治疗兔膝关节OA，同样能显著改善关节情况，相对于单移植BMSCs和鹿瓜多肽液组，联合组能更好地加快软骨细胞增殖，缓解关节炎症，并调节软骨细胞凋亡［39］。此外，近年研究显示，MSCs联合生物材料在治疗骨代谢疾病（如骨关节炎、骨质疏松和骨肉瘤）方面显示出良好疗效［40］。其特点在于生物材料与MSCs的相互作用可以引导MSCs分化为特定的细胞系，两者联合使用于软骨病变或OA模型中可促进透明样软骨再生，为MSCs在临床中的不同应用提供了新思路［41］。可见，药物、物理因子、天然药物化合物、生物材料等治疗方式联合MSCs治疗OA，均具有积极作用。因为两者本身具有治疗OA的作用，且两者作用不同，当两者联合时，会产生协同作用，从而能更好地改善关节内的病理情况，有效减少关节内炎症，促进骨与软骨的再生，且无严重不良事件发生。

综上所述，MSCs作为一种多能干细胞，通过抗炎、免疫调节、调节自噬和细胞凋亡等增加软骨细胞的增殖，促进软骨修复来治疗OA。由于MSCs的异质性，并受到体外培养条件和关节腔内炎症微环境的影响，部分MSCs会表现出不稳定的细胞形态或经历次优的软骨分化和软骨基质形成，甚至加速细胞死亡［42］。另外，MSCs的分离、提纯、培养、特异的表面标志物、使用剂量、植入时机、有效性和安全性有待研究。