骨髓间充质干细胞治疗激素性股骨头坏死的研究进展

钱士达，于雪峰

激素性股骨头坏死（steroid-induced osteonecrosis of the femoral head，SONFH）是临床中使用大剂量类固醇激素治疗肾病综合征、系统性红斑狼疮等疾病时常见的并发症［1］，是一种退行性骨病，可导致股骨头塌陷，进而损伤髋关节，且此过程难以逆转，严重影响患者的生活质量［2］。研究普遍认为，骨结构的损伤和宏观力学性能的改变是导致股骨头坍塌的原因，而这源于骨修复过程中成骨活动和破骨活动的不平衡［3］。针对SONFH 的治疗方法，无论是以全髋关节置换术（total hip arthroplasty，THA）为代表的关节置换手术治疗，还是以髓芯减压（core decompression，CD）为代表的保髋治疗，均不能有效增强骨修复及防止生物力学坍塌［4］。若可维持成骨活动和破骨活动之间的平衡，延迟股骨头坏死和塌陷，即可修复SONFH。目前干细胞移植结合组织工程技术在医学领域引起了广泛的关注。有研究显示，合理应用干细胞移植技术可减缓SONFH 进展，提高Harris 髋关节评分，甚至逆转 疾 病 分 期［5-6］。 骨 髓 间 充 质 干 细 胞（bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs）是具有多向分化潜能的多功能干细胞，为成骨细胞的最主要来源，在骨组织的修复过程中起着重要的作用［7］。本文主要从BMSCs的性质、SONFH的临床诊疗进展及BMSCs 治疗SONFH 的实验研究3 个方面对BMSCs治疗SONFH的研究进展进行综述。

1 BMSCs及其分子机制

BMSCs 首次在骨髓中被发现，是一种梭形、贴壁的非造血干细胞，占骨髓内有核细胞的0.001%~0.010%［8］。BMSCs具有获取方便、免疫原性较低等优点［9］。BMSCs具有多向分化潜能，可分化成各种中胚层谱系，包括骨细胞、软骨细胞、脂肪细胞和造血支持基质等［10］。在宏观层面上，BMSCs的分化方向受到运动［11］、年龄［12］和类固醇激素使用［13］等多种因素的影响，且随着年龄增加或类固醇激素长期应用，BMSCs倾向于成脂分化而非成骨分化。在微观层面上，BMSCs的分化方向亦受转化生长因子-β（TGF-β）/骨形态发生蛋白（bone morphogenetic protein，BMP）、Wnt、Notch 等多种信号通路及相关生物因子的影响［8，14］。

（1）TGF-β/BMP 通路。TGF-β可抑制包括上皮细胞、内皮细胞、血细胞在内的多种类型细胞的增殖。BMP是TGF-β配体家族最大的分支，在调节BMSCs的成脂和成骨分化中具有双重作用［15］。BMP2 单独使用可以促进BMSCs 的增殖和成骨分化，与过氧化物酶体增殖物激活受体（peroxisome proliferators-activated receptors，PPAR）联用时，则可促进BMSCs的成脂分化［16］。（2）Wnt通路。Wnt蛋白是一个富含半胱氨酸的分泌型脂糖蛋白家族，包括至少19种不同的分泌蛋白，在多种病理生理活动中发挥着重要作用。从根本上来说，Wnt是生长刺激因子，可促进细胞增殖，即可促进BMSCs成骨分化，抑制其成脂分化［17］。（3）Notch 通路。在人体发育过程中，Notch 通路介导大多数生物体内保守的细胞信号传导，尤其是在内皮细胞中促进血管生成。也有研究发现，抑制Notch 通路可以降低BMSCs 的增殖活性，促进其成骨分化［14，18］。Smad 蛋白和基质细胞衍生因子-1α（stromal cellderived factor 1 alpha，SDF-1α）等细胞因子也可通过上述信号通路参与BMSCs的分化调节［8，19］。

BMSCs的增殖能力随着传代次数的增加而逐渐降低，但是其成骨能力在传代过程中相对保守，且可以通过低温维持其增殖能力［20］。BMSCs 不仅能通过自身增殖分化直接替代骨组织，还能够通过旁分泌促进组织的修复。Lu 等［7］选用C57BL/6J 小鼠为实验动物，治疗组使用负载miR-29a 的BMSCs外泌体，对照组则使用无负载miR-29a的BMSCs外泌体，均通过尾静脉注射；2个月后，收集股骨，通过免疫染色和Micro-CT 分析骨生成，结果显示，治疗组小鼠股骨表面骨钙蛋白阳性的成骨细胞数量及骨小梁厚度均高于对照组。

2 SONFH的临床诊疗进展

股骨头坏死（osteonecrosis of the femoral head，ONFH）可分为国际骨循环研究协会（Association Research Circulation Osseous，ARCO）Ⅰ—Ⅳ期，其中Ⅰ期和Ⅱ期ONFH 还未出现软骨下骨折或股骨头塌陷，可以采用保守治疗；Ⅲ期和Ⅳ期时已出现股骨头塌陷和关节破坏。一旦出现股骨头塌陷，THA 是目前唯一可以恢复关节功能的治疗方式［21］。但是置换的关节存在时间限制，不能作为年轻患者的最佳选择［22］；且感染、脱位、再次手术等相关并发症均会影响THA 的治疗效果；ONFH 亦是THA 手术失败的危险因素［23］。截骨术（Osteotomy，OT）和CD 是治疗早期ONFH 常用的方法，其中OT 主要有经转子内翻截骨术（Transtrochanteric curved varus osteotomy，TCVO）和经转子旋转截骨术（transtrochanteric rotational osteotomy，TRO）两种术式，目的是将坏死区域从股骨头的负重面移开；但在以往的报告中两种术式的成功率为17%~100%，参差不齐，仅在亚洲少数国家使用［24］；而CD 则是通过去除坏死部分以降低骨内压，同时改善静脉回流和血液循环，从而加强骨组织再生，减轻髋关节疼痛［6］。在CD后会形成空腔，自体骨、骨髓浓缩物、成骨细胞、BMSCs 等多种生物活性物质可应用于CD 后的空腔植入，并取得了一定的效 果［6，25-26］。在CD 空 腔 中 植 入 干 细 胞 也 是 干 细 胞 治 疗SONFH最主要的途径。

在CD 空腔中植入干细胞治疗SONFH 的方法在1993 年由Hernigou 和Beaujean 首次提出，但并未大范围应用于临床，多数患者仍选择手术治疗［27］。近年来，随着研究的深入，BMSCs 不仅应用于临床治疗SONFH，更成为克罗恩病、乳腺癌等疾病的治疗方案［28-29］。BMSCs 的获取主要有以下几个步骤：（1）术前数天使用粒细胞集落刺激因子（granulocyte colony-stimulating factor，GCSF）诱导骨髓干细胞，而后从胫骨或股骨中抽吸骨髓液，离心获得细胞悬液。（2）在添加胎牛血清的Dulbecco 改良Eagle 培养基（Dulbecco's modi fi ed Eagle's medium，DMEM）中混合培养3 h，随后除去非贴壁细胞，更换新的培养基。（3）当原代BMSCs 达到90%汇合度时，用0.25%胰蛋白酶和0.02%乙二胺四乙酸消化2 min，培养3周后获得纯化的纺锤形BMSCs［30-31］。获得的BMSCs 可直接以细胞悬液的状态注射进骨髓腔，或是将浸润BMSCs的异体骨植入［25，32］。

3 BMSCs治疗SONFH的研究现状

近年来，有研究报告单纯CD 与CD 联合BMSCs 治疗SONFH 的临床结局无明显差异，在SONFH 患者中植入BMSCs 的治疗效果仍存在争议［33-34］。Kang 等［25］采用配对设计的病例对照研究比较了100 例股骨头坏死患者使用自体BMSCs 移植联合髓芯减压（50例）与单纯髓芯减压（50例）的疗效，患者术后均进行1 年的随访，期间使用MRI 评价其分期，结果显示，在股骨头坏死早期进行自体BMSCs 移植并不能减缓其ARCO 分期的进展，这可能与SONFH 患者自体的BMSCs 成骨活性较低有关；若要提高BMSCs 治疗SONFH 的效果，就需要保证BMSCs 在坏死区的存活和稳定成骨分化。Zhang 等［35］使用成年新西兰白兔建立SONFH 模型，从4~6周龄幼年新西兰白兔股骨中分离BMSCs 传代培养。在建模8周后，通过组织工程化骨移植术在股骨头植入去抗原松质骨及BMSCs，对照组仅植入去抗原松质骨。术后12周发现2组股骨头缺损修复效果无明显差异。因此，单纯BMSCs移植联合CD技术治疗SONFH的效果并无明显优势。

因单纯应用干细胞移植的治疗效果不佳，许多学者尝试在干细胞移植前对其进行修饰。Kong 等［19］将miR-137-3p沉默的BMSCs 移植至大鼠SONFH 模型中，发现其可以抑制SONFH 进展；此外，miR-137-3p 沉 默的BMSCs 通过增加SDF-1α的分泌，可增强SONFH 模型大鼠的血管形成和再生能力，而天然的BMSCs 并不具备这种能力。Yang 等［36］则用携带SDF-1α 的慢病毒质粒转染BMSCs 以过表达SDF-1α，经过处理的BMSCs 的成骨能力显著增强，后将其注射至SONFH 模型大鼠胫骨内，对照组注射未转染慢病毒的BMSCs，3周后，micro-CT显示治疗组股骨头坏死区面积明显小于对照组。Zhang 等［37］在SONFH 大鼠饲料中添加氯化锂（Wnt通路的天然激活剂），对照组喂食普通饲料，3周后氯化锂组大鼠BMSCs的增殖和成骨能力均优于对照组。以上研究表明，对BMSCs进行移植前修饰，可以提高BMSCs在股骨头坏死区的存活率及其成骨能力，从而提升其对SONFH的疗效。

4 小结与展望

基于BMSCs的多向分化潜能，研究者们创建了大量的动物模型进行实验，并进行临床应用。但诸多结果表明自体BMSCs移植治疗SONFH效果并不显著。通过移植前修饰可以增强BMSCs的增殖活性及成骨能力，从而在股骨头坏死区发挥治疗作用。但仍需对比研究不同的移植前修饰治疗SONFH的效果及安全性，评估筛选出疗效较优的修饰靶点及剂量，以期能应用于SONFH的临床治疗。