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间充质干细胞治疗骨关节炎的研究进展

来源:用户上传      作者:张旭 丰哲 李富涛 陈禺 崔真伟

   【摘 要】 骨关节炎是以关节疼痛、僵直畸形及功能障碍为主要临床表现的疾病,关节软骨退变及损伤是其最根本的病变。目前,骨关节炎临床治疗效果并不理想,手术治疗具有高风险、高费用及术后并发症等一系列问题,大部分保守治疗只能缓解症状。随着医疗水平不断提高,通过干细胞及细胞因子修复受损软骨是目前治疗骨关节炎的一种新思路,故对近年来间充质干细胞治疗骨关节炎的研究进行综述。
   【关键词】 骨关节炎;软骨细胞;软骨修复;间充质干细胞;研究进展;综述
   骨关节炎(osteoarthritis,OA)作为一种最常见的骨关节疾病,已成为医学领域面临的一大难题,现有的临床治疗效果并不理想,只能起到缓解病情的作用。随着骨组织工程和软骨再生医学领域的迅速发展,利用干细胞及细胞因子已逐渐成为治疗OA的一种新方法。其中,间充质干细胞(MSC)以其来源广泛、获取创伤小、繁殖能力强、具有良好的软骨分化潜能等优势,已成为治疗OA的重点研究细胞,有望在OA的治疗中发挥重要作用。本文主要介绍基于MSC的软骨修复作用治疗OA的研究现状及应用前景。
  1 OA与软骨修复
   OA是以软骨退行性变、消失,以及关节边缘韧带附着处和软骨下骨反应性增生形成骨赘,并由此引起关节疼痛、僵直畸形和功能障碍为主要病理改变的慢性骨关节疾病,又称退行性关节炎、增生性关节炎、肥大性关节炎等。目前,OA的发病机制尚未完全阐明,相关研究显示,老龄化、体质量指数(BMI指数)超常、持续劳损、关节创伤、畸形、遗传因素、细胞因子异常、关节内微环境异常、生物力学改变等因素都与OA的发病密切相关[1]。关节软骨退变及损伤是其最根本的病变。关节软骨是构成关节表面的主要部分,具有承受重力、缓冲压力及润滑关节等作用。软骨被破坏后,两骨端直接接触,反复摩擦产生炎症,软骨下骨及滑膜也随之改变[2]。由关节磨损或创伤引起的关节软骨缺损,根据是否延伸至软骨下骨可分为部分或全部厚度损伤[3],这些缺损会导致软骨阐明退化,最终形成OA,导致患者关节剧烈疼痛、畸形、活动障碍,甚至残疾,生存质量严重下降。随着社会年龄组成结构改变[4],OA的发病率逐渐上升,全世界有超过2.5亿人受到影响,药物及住院治疗费用的增加,也给整个社会带来了沉重的经济负担[5],本病已成为医疗系统所面临的严峻问题,和心脑血管疾病、癌症并称为威胁人类健康的“三大杀手”。
   研究发现,OA的演变与软骨细胞对生长因子的不良反应、关节软骨的生物力学特性改变、线粒体功能障碍、氧化应激和炎症等因素有关[6]。软骨主要是由细胞外基质(ECM)中的软骨细胞分化形成,随着人体衰老及关节磨损,软骨细胞数量的减少会影响ECM蛋白的产生。由于软骨的无血管性质,自我修复能力有限[7],当前的软骨修复方法包括保守疗法和手术疗法。保守疗法包括关节内注射皮质类固醇、透明质酸以及口服硫酸软骨素等[8-9],但是这些治疗大部分只能缓解疼痛,并且缺乏明确有效治疗OA的证据[10]。手术疗法包括关节镜手术(微骨折和微钻孔)、骨软骨移植和自体软骨细胞植入(ACI/ACIC)[11]等,这些技术旨在通过促进血管浸润,纤维蛋白凝块形成和干细胞募集促进软骨再生,在OA治疗中具有一定软骨修复作用[12]。但是,同时可能形成缺乏耐用性的机械性软骨[13],移植物(如软骨膜和骨膜)钙化或退化,移植物与受区软骨附着性差和移植物丢失率高,供区继发组织缺损[14],膨胀的软骨细胞可能发生去分化从而产生低质量的软骨[15],在晚期造成更严重的OA。随着细胞再生医学及软骨修复在OA治疗中的優势效果和问题的出现,基于MSC的软骨修复或许可以为OA提供一条新的治疗研究思路。
  2 MSC治疗OA的应用现状
  2.1 MSC的来源及特点 MSC是中胚层衍生的非造血细胞,可以轻松地从骨髓、脂肪组织、脐带血等中分离出来,并在体外扩增以获得大量的细胞用于软骨修复治疗[16],通过密度梯度离心法和酶消化、荧光或磁性激活的细胞分选,以及其他基于抗体的高度自动化选择性系统获得纯净MSC细胞并去除非贴壁细胞[17](主要是造血干细胞)。主流MSC细胞扩增系统包括静态平面系统[18]与动态系统,静态平面系统中的T型烧瓶、多层烧瓶培养方式转移方便,细胞在2D平面培养,但其细胞扩增性有限,而且采集困难,培养效率低;动态系统中的介质再循环生物反应器[19](多板生物反应器、固定床生物反应器、中空纤维生物反应器)与悬浮生物反应器[20](搅拌生物反应器)通常用于细胞的大规模扩增,大部分是通过模拟人体独特的关节细胞微环境3D多层培养,可以监视和控制培养参数,更精确及时地干预,产生更高质量的MSC。MSC可分为骨髓MSC(BMSCs)、脂肪干细胞(ADMSCs)、脐带MSC(UC-MSCs)等,其中BMSCs可以通过细胞间的相互作用及产生细胞因子抑制T细胞的增殖及免疫反应[21],而且易于分离、培养、扩增和纯化,多次传代扩增后仍具有干细胞特性,不存在免疫排斥的特性,常用于OA软骨修复研究。不论细胞来源如何,MSC都可以在诱导剂[包括转化生长因子β(TGF-β)和骨形态发生蛋白(BMP),胰岛素样生长因子(IGF),胰岛素转铁蛋白-硒和肝细胞生长因子]刺激下发生软骨分化[22]。MSC以其来源广泛、获取创伤小、增殖能力强、具有良好的软骨分化潜能等诸多优势成为目前最有应用前景的软骨修复种子细胞,并得到广泛研究应用[23]。
  2.2 MSC的软骨修复机制 随着软骨修复与细胞再生医学的研究,了解正常软骨生成的调控非常重要,因为基于MSC的软骨修复技术至少部分涉及了人体软骨的主要发育步骤。ECM主要是由胶原蛋白和蛋白聚糖组成,人体软骨根据ECM的成分差异分为3种类型:弹性软骨、纤维软骨和透明软骨。其中纤维软骨被认为是致密结缔组织和透明软骨之间的过渡组织[24],如半月板和椎间盘,这是唯一包含Ⅰ型胶原的软骨;透明软骨也叫关节软骨,存在于滑膜关节表面,主要由Ⅱ型胶原蛋白和硫酸化蛋白聚糖(aggrecan)组成。在软骨形成的早期,软骨祖细胞会产生富含透明质酸、Ⅰ型胶原和Ⅱ型胶原蛋白的ECM[25],通过N-钙黏蛋白的细胞间相互作用,间隙连接和细胞黏附分子的出现介导了其聚集至软骨前凝结[26]。通过这些细胞相互作用以及ECM中的纤连蛋白、腱糖蛋白和血小板反应蛋白触发细胞内信号传导联级反应,使分化的软骨祖细胞能够获得软骨细胞的典型球形形态,并启动软骨特异性ECM分子的合成。在MSC培养中通过许多细胞外信号分子、生长因子和信号通路(如FGF、TGF-β、BMP及N-钙黏蛋白、MAPK、Notch通路)的相互作用促进细胞黏附,避免肥大性分化,诱导软骨形成[27]。在OA中,软骨细胞的破坏会释放炎性因子抑制胶原蛋白和蛋白聚糖的合成[28]。MSC能通过募集到软骨损伤部位发挥抗炎作用,影响炎症因子表达,延缓软骨进一步破坏[29]。研究发现,MSC具有旁分泌作用[30],从植入的MSC释放的微囊泡中含有的生长因子、细胞因子、生物活性物质可以促进软骨细胞增殖及胶原蛋白合成,使OA患者疼痛缓解和功能改善。目前,MSC在软骨形成的分子作用机制仍不明确,为了避免产生纤维软骨、肥大性软骨及软骨骨化,仍需要进一步深入MSC的软骨定向分化表达基础研究。   2.3 MSC在治療OA中的应用 目前,使用MSC进行软骨细胞治疗OA已有相当多的实验及临床研究,主要集中在将各种扩增系统收获的MSC与粘合剂(基于密封剂)混合,或接种在生物相容性支架(基于支架)上将其递送至软骨损伤部位两种方式[31]。通过一些天然生物材料(包括胶原蛋白、明胶、硫酸软骨素、透明质酸等)或合成生物材料[例如聚乙二醇(PEG)、聚氨酯(PU)等]与MSC混合制成密封剂,由于其优异的生物相容性[32],强黏附性、可生物降解和低免疫反应等特性被广泛应用。WAKITANI等[33]在2002年报告了第1个BM-MSC移植试验,使用胶原蛋白凝胶作为密封剂修复膝OA中的人类软骨缺损,通过BMSCs募集到软骨损伤部位促进胶原蛋白合成,结果发现,移植42周后在缺损处部分可见透明软骨样组织覆盖。此后,还有其他报道表明,将基于密封剂凝胶的MSC悬浮液与各种天然生物材料结合使用不同的ECM都具有良好的软骨修复效果[34]。YONGBEOM等[35]通过同种异体UC-MSCs
  和透明质酸水凝胶的复合体在OA患者中的软骨再生研究,虽然是同种异体细胞,但其易于从脐带血库中获得,属于非侵入性采集,细胞免疫性低,能抑制T细胞的增殖并分化成软骨组织,影响炎症因子表达,经过7年的随访,未观察到明显的不良事件,在持续性软骨再生方面似乎是安全有效的。然而,不同批次之间的天然密封胶可能会发生变性,影响修复能力。另一方面,通过支架技术修复软骨也在逐步研究。UEMATSU等[36]通过接种有培养的MSC的PLGA支架修复兔膝盖大缺陷的软骨,成功诱导了软骨形成,这种支架可以增强MSC的细胞黏附、增殖和随后的成软骨分化,具有良好的生物相容性和可降解性,营养物质可以通过支架中适当的孔径扩散,能够承受体内负载环境并保护嵌入的MSC免受机械应力破坏。在另一项大鼠软骨缺损模型研究中,MSC接种的PLGA/NHA支架与PLGA支架相比,MSC的存活力和增殖明显更好,可以形成发育更加成熟良好的透明软骨组织[37]。另一种MSC形式的支架是使用可植入和降解的生物材料,将其直接植入缺损部位。与仅植入MSC相比,在PCL MC上将MSC植入软骨缺损兔模型中细胞微载体可以模拟体内三维细胞培养环境,有利于细胞迁移和增殖,微载体表面的BMP-7可以增强MSC骨修复和抗菌能力,显示出更好的软骨形成分化,更节省时间[38]。然而,基于支架的技术尚不成熟,尚未在临床试验中应用,目前很少有使用基于支架的方法进行软骨的临床试验(Ⅰ/Ⅱ期),并且尚无Ⅱ/Ⅲ期试验的报道。不过支架的MSC构建体具有优势,尤其是在治疗更严重的软骨损伤方面(例如全厚度缺损),因为它们能够承受体内OA局部炎症性微环境并保护嵌入的细胞免受任何机械应力的作用[39]。随着新改进支架的开发,例如PCL微载体和改良的PLGA支架显示出许多可能的优点,将来可能会有进一步的临床研究。许多临床前和临床研究已经证明了使用MSC(基于密封剂或基于支架)进行治疗的可行性,但是,仍然有一些挑战需要解决。由于细胞生长和软骨分化效率的差异,MSC分离过程中会产生异常的细胞群,这就需要有能鉴定和可能分离有效细胞的生物学标记获得更纯净的MSC细胞群[40]。虽然MSC在OA治疗方面还存在一定限制和问题,但其软骨修复的巨大潜力对未来OA治疗的方向仍具有研究意义。
  3 展 望
   目前,OA的治疗主要以缓解临床症状、改善关节活动功能、提高患者生存质量为主,治疗方法主要有控制体重、健康宣教、理疗、药物治疗和手术治疗。各种疗法在一定程度上有助于缓解疼痛,但不能改变关节软骨退变的进程,且不能彻底治愈OA,疾病发展到晚期时,关节置换术可能成为唯一的、不可避免的选择。但是,目前可用的假体寿命有限,无法满足年轻患者的需求。随着细胞再生及软骨修复的研究,MSC具有来源广泛、增殖能力强、良好的软骨分化潜能等诸多优势,其抗炎、旁分泌作用能明显促进软骨修复,延缓OA的发展。虽然目前基于MSC细胞进行软骨修复的治疗在临床中具有一定限制,但其软骨再生潜力在治疗OA中仍具有较大研究意义。进一步研究其细胞软骨分化机制和临床作用将为治疗OA提供指导,细胞软骨修复或许是未来治疗OA的方向和希望。
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  收稿日期:2020-04-01;修回日期:2020-05-19
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