外周血源性间充质干细胞修复骨关节炎软骨损伤的应用前景与问题

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.3520

中国组织工程研究 ›› 2021, Vol. 25 ›› Issue (19): 3071-3076.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.3520

• 干细胞综述 stem cell review • 上一篇下一篇

外周血源性间充质干细胞修复骨关节炎软骨损伤的应用前景与问题

杨腾云，李彦林，刘德健，王国梁

昆明医科大学附属第一医院运动医学科，云南省昆明市 650032

收稿日期:2020-06-04 修回日期:2020-06-12 接受日期:2020-07-20 出版日期:2021-07-09 发布日期:2021-01-14
通讯作者: 李彦林，博士，教授，昆明医科大学附属第一医院运动医学科，云南省昆明市 650032
作者简介:杨腾云，男，1993年生，重庆市人，汉族，2016年昆明医科大学毕业，主要从事骨关节损伤修复与重建研究。
基金资助:
国家自然科学基金项目(81960409，81760403)，项目负责人：李彦林；云南省科技厅-昆明医科大学联合基金重点项目[2017FE467(-007)]，项目负责人：李彦林；云南省专家工作站项目(2018IC102)，项目负责人：李彦林

Application prospects and problems of peripheral blood derived mesenchymal stem cells in cartilage repair of osteoarthritis

Yang Tengyun, Li Yanlin, Liu Dejian, Wang Guoliang

Department of Sports Medicine, the First Affiliated Hospital of Kunming Medical University, Kunming 650032, Yunnan Province, China

Received:2020-06-04 Revised:2020-06-12 Accepted:2020-07-20 Online:2021-07-09 Published:2021-01-14
Contact: Li Yanlin, MD, Professor, Department of Sports Medicine, the First Affiliated Hospital of Kunming Medical University, Kunming 650032, Yunnan Province, China
About author:Yang Tengyun, Department of Sports Medicine, the First Affiliated Hospital of Kunming Medical University, Kunming 650032, Yunnan Province, China
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China, No. 81960409 (to LYL), No. 81760403 (to LYL); the Key Project of Joint Fund between Yunnan Provincial Department of Science and Technology and Kunming Medical University, No. [2017FE467(-007)] (to LYL); the Yunnan Expert Workstation Project, No.2018IC102 (to LYL)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
间充质干细胞：是一种具有自我更新、增殖能力强、产生克隆细胞群、多向分化等特点的成体干细胞，其表达典型的间充质细胞表面标记CD73、CD90、CD105，缺乏造血细胞表面标记CD14、CD34、CD45，当细胞在体外特定条件下培养，有成软骨、成骨、成脂肪形成等作用。
外周血源性间充质干细胞：外周血经密度梯度离心法、免疫磁珠分离法等分离提取的单核细胞，经培养具有间充质干细胞表型特征和多向分化能力，可作为理想的组织工程种子细胞。

背景：随着近年组织工程技术应用到软骨修复研究领域，间充质干细胞作为一种具有自我更新、增殖能力强、产生克隆细胞群、多向分化等特点的成体干细胞，是软骨修复理想的种子细胞，而外周血源性间充质干细胞具有取材方便、创伤小等优点，已成为目前该领域的研究热点。
目的：综述外周血源性间充质干细胞的研究现状及其在骨关节炎软骨修复中的应用，分析了目前临床应用受限的主要问题以及可能的解决方案，以期合理利用外周血源性间充质干细胞，为软骨损伤的治疗找到适宜的种子细胞。
方法：检索 PubMed 数据库、万方数据库、CNKI 中国期刊全文数据库收录的相关文献。英文检索词为“peripheral blood derived mesenchymal stem cells，circulating mesenchymal stem cells，cartilage repair，osteoarthritis treatment”，中文检索词为“外周血源性间充质干细胞，循环间充质干细胞，软骨修复，骨关节炎”，最终纳入57篇文献进行归纳总结。
结果与结论：近年关于软骨组织工程的研究有显著和持续的增长，而外周血来源间充质干细胞有其成软骨优势，能作为更加理想的种子细胞应用于软骨组织工程，具有良好的临床应用前景。
https://orcid.org/0000-0003-3224-6040(杨腾云)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：干细胞；骨髓干细胞；造血干细胞；脂肪干细胞；肿瘤干细胞；胚胎干细胞；脐带脐血干细胞；干细胞诱导；干细胞分化；组织工程

关键词: 干细胞, 间充质干细胞, 外周血间充质干细胞, 骨关节炎, 软骨损伤, 软骨肥大, 软骨修复

Abstract: BACKGROUND: With the application of tissue engineering technology to the cartilage repair research field in recent years, mesenchymal stem cells as a kind of adult stem cells with the characteristics of self-renewal, strong proliferation ability, clonal cell population and multidirectional differentiation, are ideal seed cells for cartilage repair. Moreover, peripheral blood derived mesenchymal stem cells, due to its conveniently, minimally invasive to the patient, have become the research focus in the field.
OBJECTIVE: To review research status of peripheral blood derived mesenchymal stem cells and their applications in cartilage repair of osteoarthritis, to analyze the main problems of limited clinical application and possible solutions, so as to rationally utilize peripheral blood derived mesenchymal stem cells and find suitable seed cells for the treatment of cartilage injury.
METHODS: Relevant articles collected from PubMed database, Wanfang database and CNKI Chinese journal full-text database were searched. The key words were “peripheral blood derived mesenchymal stem cells, circulating mesenchymal stem cells, cartilage repair, osteoarthritis treatment” in English, and “peripheral blood derived mesenchymal stem cells, circulating mesenchymal stem cells, cartilage repair, osteoarthritis” in Chinese. Finally, 57 articles were included for summary.
RESULTS AND CONCLUSION: The recent research on cartilage tissue engineering has increased significantly and continuously in recent years. Peripheral blood derived mesenchymal stem cells have the advantage of chondrogenesis, can be used as more ideal seed cells in cartilage tissue engineering and have a good clinical application prospect.

Key words: stem cells, mesenchymal stem cells, peripheral blood mesenchymal stem cells, osteoarthritis, cartilage injury, cartilage hypertrophy, cartilage repair

中图分类号:

杨腾云, 李彦林, 刘德健, 王国梁. 外周血源性间充质干细胞修复骨关节炎软骨损伤的应用前景与问题[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(19): 3071-3076.

Yang Tengyun, Li Yanlin, Liu Dejian, Wang Guoliang. Application prospects and problems of peripheral blood derived mesenchymal stem cells in cartilage repair of osteoarthritis[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2021, 25(19): 3071-3076.

图/表（结果） 1

2.1 外周血来源间充质干细胞提取、分离、培养与鉴定研究初期，外周血来源间充质干细胞存在与否一直颇受争议，随着研究的不断深入，学者们成功从猫、猪、绵羊、马等动物和人外周血中分离出间充质干细胞[25-30]，并通过实验证实其与骨髓、脂肪等来源间充质干细胞具有相似生物学特性，但分离效率较低。研究初期，KASSIS等[30]通过使用集落刺激因子激活健康成年人外周血，从外周血祖细胞中分离出大量的间充质干细胞，这一实验使得外周血来源间充质干细胞分离效率得到了很大的提高。目前，许多研究者联合集落刺激因子和AMD3100对大鼠、兔等动物外周血进行动员，成功提取外周血来源间充质干细胞，并认为2种动员剂具有协同作用[31-32]。ZHAO等[33]研究也证实集落刺激因子和AMD3100是外周血来源间充质干细胞的有效动员剂，相比于单一因子动员组，动员效率提高近4倍。
目前分离提取外周血来源间充质干细胞的方法暂无统一标准，但文献报道的分离方法主要有4种，早期KUZNETSOV等[34]提出的全血细胞法、FERNANDEZ等[35]实验采用的血细胞分离机法和READING等[36]采用的免疫磁珠分离法，以及目前国内外实验采用最多的密度梯度离心法[25-33]。免疫磁珠分选法和流式细胞仪分离法虽然获得的外周血来源间充质干细胞较纯，但因其费用高、操作复杂且分选后的细胞活性低等原因现在已较少采用；密度梯度离心法因其符合正常生理性渗透压而不易破坏生物膜，对细胞无损害，分离效果好且简便易行，成为目前国内外常用的分选方案。
HOPPER等[37]从健康人体中分离出外周血来源间充质干细胞，在低氧条件下培养2周后呈成纤维细胞样形态，94%的细胞表达间充质干细胞标记物(CD90、CD105、CD146)，而在正常氧条件下只有41%的细胞表达这些标记物，这为后续培养条件提供了有用的参考价值。赵岚等[38]在实验中发现即使纯度较高的外周血来源间充质干细胞，体外培养40 d即发生衰老和凋亡，但β-联蛋白可延长细胞存活时间至90 d
以上，增加其体外增殖率1. 08倍，明显提高了细胞增殖能力，为进一步提高外周血来源间充质干细胞的存活和增殖提供了新的突破点。大量实验皆证实外周血来源间充质干细胞具有和骨髓间充质干细胞相似的增殖及多向分化能力，流式细胞学分析CD44、CD54、CD105、CD166均为阳性，CD14、CD34、CD45、CD31均为阴性，Ⅰ型胶原和Ⅲ型胶原免疫组化法染色均为阳性[25-33]，这与国际干细胞治疗协会(ISCT)[39]提出的间充质干细胞的3个定义标准相符：①贴壁生长；②表达特定表面抗原；③多向分化能力。外周血获取具有更简便、更微创的特点，操作所带来并发症也显著降低，具有良好的临床应用前景。不仅如此，因为来源于自体，可以更有效降低疾病传播和移植物抗宿主病等风险。
2.2 外周血来源间充质干细胞在骨关节炎及软骨修复中的应用近年来，不同来源的间充质干细胞在软骨修复中的应用取得了不错的成就，如来自骨髓、脂肪和滑膜组织的间充质干细胞，通过注射或体外培养后移植等方式促进软骨修复[17-19]。
随着研究的进行，外周血来源间充质干细胞也进行了体内外的动物实验与人体相关试验，取得了积极的研究成果，见表1[32-33，40-48]。
2.2.1 动物实验相关实验主要包括3方面的应用：同种同体移植、同种异体移植与异种移植。SPAAS等[40]从1匹5岁龄的患有骨关节炎的马外周血中分离提取出外周血间充质干细胞，经过体外培养后注入其骹关节，通过视觉步态评估和客观的压力板分析，结果证实了外周血来源间充质干细胞具有促进马骨关节炎恢复的作用。随后，BROECKX及其团队在2014年与2019年的实验中，分别对自发骨关节炎或者诱发导致骨关节炎的马，使用同种异体外周血来源间充质干细胞移植联合富含血小板血浆处理其关节软骨面的轻中度受损，治疗后定期行视觉步态、跛行评分和客观压力板分析，以及影像学和实验结束尸检等一系列评估，结果显示马的临床疼痛与跛行表现均有明显改善[41-44]。FU等[32]在实验中探讨了外周血来源间充质干细胞用于兔软骨修复的可行性，利用集落刺激因子和CXCR4拮抗剂AMD3100动员兔外周血后分离和扩增出间充质干细胞，然后与脱钙骨基质复合植入膝关节修复缺损软骨，并与骨髓间充质干细胞相对比，显示出相同的体内修复软骨缺损的能力。ZHAO等[33]从滇南小耳猪外周血中提取培养外周血间充质干细胞，而后制备载细胞因子壳聚糖缓释微球与脱钙骨基质复合工程骨，同种异体移植修复膝关节软骨缺损，结果显示此工程骨能较好地修复滇南小耳猪关节软骨缺损，并且接近于周围正常软骨组织。基于同种异体治疗的成功，异种移植的实验也被实施，所采用的间充质干细胞均来源于马外周血。DAEMS等[45]应用马外周血来源间充质干细胞治疗犬自发骨关节炎，治疗后行走时跛足的程度明显低于安慰剂治疗，此外，狗在行走时突然转向时的疼痛明显减轻，但体检、影像学、生化检查等其他各方面均无明显差异，其原因可能是样本量不足与无法进行组织学检查的局限性，但该实验表明了异种应用外周血来源间充质干细胞的安全性。DEBOSSCHERE等[46]在最近的研究中也得出相同结论，他们认为与同种异体间充质干细胞相比，异种马外周血来源间充质干细胞对猫免疫调节特性更优，并且多次注射无明显细胞免疫反应，这将是一种更有效和潜在有效的间充质干细胞替代治疗方法。
2.2.2 人体应用外周血来源间充质干细胞在人体的试验研究远远少于动物实验，但试验结果有力支持其临床应用。VEBER等[47]对52例晚期骨关节炎软骨缺损ICRS Ⅲ或Ⅳ级病变患者进行治疗，这些患者采用微骨折联合自体外周血来源间充质干细胞移植，然后覆盖胶原膜，约90%的病例取得了良好的效果。FU等[48]病例报告显示了使用外周血来源间充质干细胞修复关节软骨的积极的治疗结果。外周血来源间充质干细胞来源于1例19岁软骨损伤程度为ICRS Ⅳ级男性拳击运动员，通过在移植骨膜瓣下注射外周血来源间充质干细胞并结合髌股关节重建来修复软骨缺损，术后8个月复查关节镜检查表面光滑，经过7.5年的随访，患者恢复了竞技跆拳道运动；各类关节评分以及CT和MRI评估显示与术前相比有显著改善。

参考文献

[1] KIM SJ, SHETTY AA, KURIAN NM, et al. Articular cartilage repair using autologous collagen-induced chondrogenesis (ACIC): a pragmatic and cost-effective enhancement of a traditional technique. Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc. 2020;28(8):2598-2603.
[2] LIU Y, MA Y, ZHANG J, et al. Exosomes: A Novel Therapeutic Agent for Cartilage and Bone Tissue Regeneration. Dose Response. 2019; 17(4):1559325819892702.
[3] RIFF AJ, HUDDLESTON HP, COLE BJ, et al. Autologous Chondrocyte Implantation and Osteochondral Allograft Transplantation Render Comparable Outcomes in the Setting of Failed Marrow Stimulation. Am J Sports Med. 2020;48(4):861-870.
[4] GUGJOO MB, AMARPAL A, SHARMA GT, et al. Cartilage tissue engineering: Role of mesenchymal stem cells along with growth factors & scaffolds. Indian J Med Res. 2016;144(3):339-347.
[5] PUNWAR S, KHAN WS. Mesenchymal stem cells and articular cartilage repair: clinical studies and future direction. Open Orthop J. 2011;5 Suppl 2:296-301.
[6] PELTTARI K, WINTER A, STECK E, et al. Premature induction of hypertrophy during in vitro chondrogenesis of human mesenchymal stem cells correlates with calcification and vascular invasion after ectopic transplantation in SCID mice. Arthritis Rheum. 2006;54(10): 3254-3266.
[7] LOLLI A, PENOLAZZI L, NARCISI R, et al. Emerging potential of gene silencing approaches targeting anti-chondrogenic factors for cell-based cartilage repair. Cell Mol Life Sci. 2017;74(19):3451-3465.
[8] RAGNI E, PERUCCA ORFEI C, DE LUCA P, et al. Secreted Factors and EV-miRNAs Orchestrate the Healing Capacity of Adipose Mesenchymal Stem Cells for the Treatment of Knee Osteoarthritis. Int J Mol Sci. 2020;21(5):1582.
[9] LIN W, XU L, LIN S, et al. Characterisation of multipotent stem cells from human peripheral blood using an improved protocol. J Orthop Translat. 2019;19:18-28.
[10] PIÑEIRO-RAMIL M, SANJURJO-RODRÍGUEZ C, CASTRO-VIÑUELAS R, et al. Usefulness of Mesenchymal Cell Lines for Bone and Cartilage Regeneration Research. Int J Mol Sci. 2019;20(24):6286.
[11] JAIN A, KHADWAL A, SACHDEVA MUS, et al. Variables affecting the presence of mesenchymal stromal cells in peripheral blood and their relationship with apheresis products. Br J Haematol. 2020;189(4):772-776.
[12] LOTFY A, EL-SHERBINY YM, CUTHBERT R, et al. Comparative study of biological characteristics of mesenchymal stem cells isolated from mouse bone marrow and peripheral blood. Biomed Rep. 2019;11(4): 165-170.
[13] KIM J, SHAPIRO L, FLYNN A. The clinical application of mesenchymal stem cells and cardiac stem cells as a therapy for cardiovascular disease. Pharmacol Ther. 2015;151:8-15.
[14] DABROWSKA S, ANDRZEJEWSKA A, LUKOMSKA B, et al. Neuroinflammation as a target for treatment of stroke using mesenchymal stem cells and extracellular vesicles. J Neuroinflammation. 2019;16(1):178.
[15] GU J, HUANG L, ZHANG C, et al. Therapeutic evidence of umbilical cord-derived mesenchymal stem cell transplantation for cerebral palsy: a randomized, controlled trial. Stem Cell Res Ther. 2020;11(1):43.
[16] GUGJOO MB, HUSSAIN S, AMARPAL A, et al. Mesenchymal Stem Cell-Mediated Immuno-Modulatory and Anti- Inflammatory Mechanisms in Immune and Allergic Disorders. Recent Pat Inflamm Allergy Drug Discov. 2020;14(1):3-14.
[17] IIJIMA H, ISHO T, KUROKI H, et al. Effectiveness of mesenchymal stem cells for treating patients with knee osteoarthritis: a meta-analysis toward the establishment of effective regenerative rehabilitation. NPJ Regen Med. 2018;3:15.
[18] GARZA JR, CAMPBELL RE, TJOUMAKARIS FP, et al. Clinical Efficacy of Intra-articular Mesenchymal Stromal Cells for the Treatment of Knee Osteoarthritis: A Double-Blinded Prospective Randomized Controlled Clinical Trial. Am J Sports Med. 2020;48(3):588-598.
[19] BASTOS R, MATHIAS M, ANDRADE R, et al. Intra-articular injections of expanded mesenchymal stem cells with and without addition of platelet-rich plasma are safe and effective for knee osteoarthritis. Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc. 2018;26(11):3342-3350.
[20] FREITAG J, BATES D, WICKHAM J, et al. Adipose-derived mesenchymal stem cell therapy in the treatment of knee osteoarthritis: a randomized controlled trial. Regen Med. 2019;14(3):213-230.
[21] RANMUTHU CDS, RANMUTHU CKI, KHAN WS. Evaluating the Current Literature on Treatments Containing Adipose-Derived Stem Cells for Osteoarthritis: a Progress Update. Curr Rheumatol Rep. 2018;20(11):67.
[22] DRAGANSKI E, DEASON T, CRAIG FE. Bone Marrow Aspiration and Biopsy Performed by RNs: A Review of Clinical Practice. Am J Nurs. 2019;119(9):47-53.
[23] 杨春水,杨志刚,李建英,等.成人外周血间充质干细胞诱导为神经元样细胞的体外研究[J].交通医学,2010,24(6):602-604.
[24] WANG SJ, JIANG D, ZHANG ZZ, et al. Chondrogenic Potential of Peripheral Blood Derived Mesenchymal Stem Cells Seeded on Demineralized Cancellous Bone Scaffolds. Sci Rep. 2016;6:36400.
[25] SATO K, YAMAWAKI-OGATA A, KANEMOTO I, et al. Isolation and characterisation of peripheral blood-derived feline mesenchymal stem cells. Vet J. 2016;216:183-188.
[26] CASADO JG, GOMEZ-MAURICIO G, ALVAREZ V, et al. Comparative phenotypic and molecular characterization of porcine mesenchymal stem cells from different sources for translational studies in a large animal model. Vet Immunol Immunopathol. 2012;147(1-2):104-112.
[27] LYAHYAI J, MEDIANO DR, RANERA B, et al. Isolation and characterization of ovine mesenchymal stem cells derived from peripheral blood. BMC Vet Res. 2012;8:169.
[28] SPAAS JH, DE SCHAUWER C, CORNILLIE P, et al. Culture and characterisation of equine peripheral blood mesenchymal stromal cells. Vet J. 2013;195(1):107-113.
[29] CHONG PP, SELVARATNAM L, ABBAS AA, et al. Human peripheral blood derived mesenchymal stem cells demonstrate similar characteristics and chondrogenic differentiation potential to bone marrow derived mesenchymal stem cells. J Orthop Res. 2012;30(4):634-642.
[30] KASSIS I, ZANGI L, RIVKIN R, et al. Isolation of mesenchymal stem cells from G-CSF-mobilized human peripheral blood using fibrin microbeads. Bone Marrow Transplant. 2006;37(10):967-976.
[31] FU Q, ZHANG Q, JIA LY, et al. Isolation and Characterization of Rat Mesenchymal Stem Cells Derived from Granulocyte Colony-Stimulating Factor-Mobilized Peripheral Blood. Cells Tissues Organs. 2015 -2016; 201(6):412-422.
[32] FU WL, ZHOU CY, YU JK. A new source of mesenchymal stem cells for articular cartilage repair: MSCs derived from mobilized peripheral blood share similar biological characteristics in vitro and chondrogenesis in vivo as MSCs from bone marrow in a rabbit model. Am J Sports Med. 2014;42(3):592-601.
[33] ZHAO D, LI Y, ZHOU X, et al. Peripheral Blood Mesenchymal Stem Cells Combined with Modified Demineralized Bone Matrix Promote Pig Cartilage Defect Repair. Cells Tissues Organs. 2018;206(1-2):26-34.
[34] KUZNETSOV SA, MANKANI MH, GRONTHOS S, et al. Circulating skeletal stem cells. J Cell Biol. 2001;153(5):1133-1140.
[35] FERNÁNDEZ M, SIMON V, HERRERA G, et al. Detection of stromal cells in peripheral blood progenitor cell collections from breast cancer patients. Bone Marrow Transplant. 1997;20(4):265-271.
[36] READING L, STILL K, BISHOP N, et al. Peripheral blood as an alternative source of mesenchymal stem cells. J Bone Mineral Res. 2000;15(6): 1239-1239.
[37] HOPPER N, WARDALE J, BROOKS R, et al. Peripheral Blood Mononuclear Cells Enhance Cartilage Repair in in vivo Osteochondral Defect Model. PLoS One. 2015;10(8):e0133937.
[38] 赵岚,季洲,张锐,等.β-联蛋白促进大鼠外周血间充质干细胞存活及扩增[J].中国生物化学与分子生物学报,2019,35(8):880-887.
[39] LI Z, CHEN S, MA K, et al. Comparison of different methods for the isolation and purification of rat nucleus pulposus-derived mesenchymal stem cells. Connect Tissue Res. 2019:1-9.
[40] SPAAS JH, OOSTERLINCK M, BROECKX S, et al. Treatment of equine degenerative joint disease with autologous peripheral blood-derived mesenchymal stem cells: A case report. Vlaams Diergeneeskundig Tijdschrift. 2012;81(1):11-15.
[41] BROECKX S, SULS M, BEERTS C, et al. Allogenic mesenchymal stem cells as a treatment for equine degenerative joint disease: a pilot study. Curr Stem Cell Res Ther. 2014;9(6):497-503.
[42] BROECKX S, BORENA BM, ZIMMERMAN M, et al. Intravenous application of allogenic peripheral blood-derived mesenchymal stem cells: a safety assessment in 291 equine recipients. Curr Stem Cell Res Ther. 2014;9(6):452-457.

[43] BROECKX SY, SEYS B, SULS M, et al. Equine Allogeneic Chondrogenic Induced Mesenchymal Stem Cells Are an Effective Treatment for Degenerative Joint Disease in Horses. Stem Cells Dev. 2019;28(6): 410-422.
[44] BROECKX SY, MARTENS AM, BERTONE AL, et al. The use of equine chondrogenic-induced mesenchymal stem cells as a treatment for osteoarthritis: A randomised, double-blinded, placebo-controlled proof-of-concept study. Equine Vet J. 2019;51(6):787-794.
[45] DAEMS R, VAN HECKE L, SCHWARZKOPF I, et al. A Feasibility Study on the Use of Equine Chondrogenic Induced Mesenchymal Stem Cells as a Treatment for Natural Occurring Osteoarthritis in Dogs. Stem Cells Int. 2019;2019:4587594.
[46] DEBOSSCHERE Y, DEPUYDT E, PAUWELYN G, et al. Safety and immunomodulatory properties of equine peripheral blood-derived mesenchymal stem cells in healthy cats. Vet Immunol Immunopathol. 2020;227:110083.
[47] VEBER M, VOGLER J, KNEŽEVIĆ M, et al. Combination of Filtered Bone Marrow Aspirate and Biomimetic Scaffold for the Treatment of Knee Osteochondral Lesions: Cellular and Early Clinical Results of a Single Centre Case Series. Tissue Eng Regen Med. 2020;17(3):375-386.
[48] FU WL, AO YF, KE XY, et al. Repair of large full-thickness cartilage defect by activating endogenous peripheral blood stem cells and autologous periosteum flap transplantation combined with patellofemoral realignment. Knee. 2014;21(2):609-612.
[49] ARSHI A, PETRIGLIANO FA, WILLIAMS RJ, et al. Stem Cell Treatment for Knee Articular Cartilage Defects and Osteoarthritis. Curr Rev Musculoskelet Med. 2020;13(1):20-27.
[50] JAFRI MA, KALAMEGAM G, ABBAS M, et al. Deciphering the Association of Cytokines, Chemokines, and Growth Factors in Chondrogenic Differentiation of Human Bone Marrow Mesenchymal Stem Cells Using an ex vivo Osteochondral Culture System. Front Cell Dev Biol. 2020;7:380.
[51] CHEN S, FU P, CONG R, et al. Strategies to minimize hypertrophy in cartilage engineering and regeneration. Genes Dis. 2015;2(1):76-95.
[52] BOS PK, VAN OSCH GJ, FRENZ DA, et al. Growth factor expression in cartilage wound healing: temporal and spatial immunolocalization in a rabbit auricular cartilage wound model. Osteoarthritis Cartilage. 2001;9(4):382-389.
[53] BRANLY T, BERTONI L, CONTENTIN R, et al. Characterization and use of Equine Bone Marrow Mesenchymal Stem Cells in Equine Cartilage Engineering. Study of their Hyaline Cartilage Forming Potential when Cultured under Hypoxia within a Biomaterial in the Presence of BMP-2 and TGF-ß1. Stem Cell Rev Rep. 2017;13(5):611-630.
[54] FAN L, CHEN J, TAO Y, et al. Enhancement of the chondrogenic differentiation of mesenchymal stem cells and cartilage repair by ghrelin. J Orthop Res. 2019;37(6):1387-1397.
[55] 陈松,符培亮,丛锐军,等.TGF-β3、BMP-2及地塞米松诱导兔滑膜MSCs成软骨分化的研究[J].中国修复重建外科杂志,2014,28(1): 92-99.
[56] CHIJIMATSU R, KOBAYASHI M, EBINA K, et al. Impact of dexamethasone concentration on cartilage tissue formation from human synovial derived stem cells in vitro. Cytotechnology. 2018;70(2):819-829.
[57] LONGHINI ALF, SALAZAR TE, VIEIRA C, et al. Peripheral blood-derived mesenchymal stem cells demonstrate immunomodulatory potential for therapeutic use in horses. PLoS One. 2019;14(3):e0212642.

引言

软骨损伤是一种在世界范围内高患病率和致残的损伤。增龄、肥胖、劳损、创伤、关节先天性异常、关节畸形等诸多因素可引起慢性退行性关节疾病，如骨关节炎、类风湿关节炎，导致人体大关节(髋关节、膝关节、肘关节)的软骨全层退化，最终导致患者关节活动严重受限和生活质量下降[1-2]。因此，软骨损伤修复成为一个亟待解决但处理棘手的问题。
迄今许多软骨修复方法都没能得到令人满意的长期修复效果，研究者们曾尝试采用微骨折、关节灌洗清创、骨髓刺激技术、自体骨软骨移植、自体软骨细胞移植、自体松质骨移植等外科手术技术，以期形成新的软骨面[3-5]，这些技术针对小的局灶性或中型骨软骨缺损有一定治疗效果，但其形成的软骨组织为纤维软骨，而非透明软骨组织，致使临床推广使用受限。自体软骨细胞移植虽然较其他方法更优，但由于软骨细胞可用数量有限，且其有向成纤维细胞变性的倾向及再生软骨的变性，也使得推广使用受限[5-6]。
随着组织工程技术的日趋发展，基于干细胞的治疗方法有望成为软骨再生的种子细胞[7-8]。间充质干细胞是一种具有自我更新、增殖能力强、产生克隆细胞群、多向分化等特点的成体干细胞，表达典型的间充质干细胞表面标记CD73、CD90、CD105，不表达造血细胞表面标记CD14、CD34、CD45，当细胞在体外特定条件下培养，有成软骨、成骨、成脂肪形成等作用[9-10]。研究表明，间充质干细胞可从多种组织中提取获得，其主要存在于结缔组织与器官间质中，如骨髓、脂肪、羊膜、脐带、外周血等[11-12]。由于其来源广泛，可分化成软骨，使其在软骨修复方面具有巨大的潜力。
目前国内外学者对于骨髓、脂肪等来源间充质干细胞的研究较为成熟，研究涉及多个领域，已应用于临床治疗心血管疾病[13]、神经系统疾病[14-15]、免疫疾病[16]、骨与关节疾病等[17-19]。然而，从骨髓或脂肪组织中获得的自体间充质干细胞存在供体局部并发症和感染的风险，FREITAG等[20]在利用脂肪间充质干细胞治疗骨关节炎时发现，治疗组在脂肪提取术后都有轻微的不适和瘀伤，RANMUTHU等[21]也报告了脂肪采集部位会产生局部疼痛和肿胀等不良事件，DRAGANSKI等[22]研究发现，即使经专业培训人员进行骨髓采集术，也存在采集过程中不适感、术后疼痛以及感染的风险，而异体来源则可能导致疾病传播和移植物抗宿主病等风险。近年研究发现外周血来源间充质干细胞由于其取材时操作简单、创伤小、并发症少，且不存在伦理学问题等优点，迅速成为组织工程领域的研究热点[23-24]。文章就外周血来源间充质干细胞在软骨组织工程中应用研究进展做一综述，以期为软骨损伤的治疗提供理想的种子细胞。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：干细胞；骨髓干细胞；造血干细胞；脂肪干细胞；肿瘤干细胞；胚胎干细胞；脐带脐血干细胞；干细胞诱导；干细胞分化；组织工程

材料方法

讨论

骨关节炎、类风湿关节炎和创伤常常引起软骨损伤，随着病情的进展，可出现致畸、致残。对于轻度至中度软骨损伤，临床上的保守疗法通常包括非类固醇抗炎药和其他口服镇痛药、减肥、物理治疗和运动。如果症状得不到有效缓解，采用非手术有创治疗，如注射皮质类固醇、透明质酸衍生物和其他生物活性注射剂[49]。然而，关节软骨组织缺乏血管、淋巴、神经等系统，软骨细胞数量有限，加之结构损伤和普遍的炎症环境，均使软骨修复和关节功能恢复受限[50]。现有的临床治疗技术，均或多或少的存在差强人意之处，而外周血来源间充质干细胞是具有取材简便、创伤小等优点的优质种子细胞，使组织工程化的理念被引入到软骨损伤治疗中，若被合理利用，将为软骨损伤修复带来了巨大的前景。
近年来，关于外周血来源间充质干细胞的研究逐渐增多，软骨组织工程的研究也取得了许多喜人的成绩，但软骨损伤的治疗仍旧是一个巨大的挑战，外周血来源间充质干细胞在软骨损伤修复应用方面仍需突破各种难题。目前软骨组织工程中一个较难攻坚的问题为间充质干细胞肥大分化，限制了其在软骨组织工程中的有效应用。大多数研究聚焦于提高间充质干细胞软骨分化能力，但间充质干细胞也具有成骨分化能力，使之诱导软骨形成时具有向晚期肥大分化，而后导致软骨内骨化的本质，成为一个不适合临床应用于关节软骨修复的问题。如何设计一种可靠的方案，使间充质干细胞在关节表面产生稳定的软骨，仍然是一个挑战。首先，不同种子细胞对软骨肥大分化有一定影响。CHEN等[51]报道了骨髓来源间充质干细胞诱导分化的软骨细胞表型是不稳定的，发展到晚期肥大和组织矿化，最终导致软骨内骨化，其他间充质干细胞来源，如脂肪或滑膜，也存在肥大或不稳定的表型。FU等[32]在利用兔作为供体进行实验时认为外周血来源间充质干细胞和骨髓间充质干细胞具有相似的生物学特性，甚至更强大的成软骨分化能力，以及更弱的成骨能力，这使得外周血来源间充质干细胞在软骨修复的组织工程学方面具有更强的优势。其次，一般认为间充质干细胞成软骨分化是由多种信号因子共同参与的复杂过程，细胞因子在间充质干细胞的软骨分化中起着重要作用。BOS等[52]在进行急性软骨损伤研究时发现有转化生长因子β、成纤维细胞生长因子、胰岛素样生长因子等的表达，这些生长因子对软骨修复发挥积极作用。而后的研究者也得出相似观点，其认为在生理状态下，导致软骨组织合成代谢的信号之间存在一种微调的平衡，特别受转化生长因子β家族调控，有关蛋白质和肽类，如成纤维细胞生长因子、胰岛素样生长因子、骨形态发生蛋白等可进一步增强转化生长因子β促软骨生成的作用[53-54]。软骨组织工程的一个最新趋势是模拟体内生长因子共同作用环境，将生长因子组合应用以最大限度地发挥其影响作用，并模拟体内生长因子环境，以此抑制肥大分化等问题。陈松等[55]在探究体外诱导兔滑膜来源间充质干细胞向软骨细胞分化的最佳细胞因子组合时发现，联合使用骨形态发生蛋白2、转化生长因子β3及地塞米松组产生的软骨微球体积、质量最大、软骨相关基因表达最多。CHIJIMATSU等[56]也认为联合使用转化生长因子β3和骨形态发生蛋白2是诱导滑膜来源间充质干细胞软骨形成的最佳条件，能有效诱导软骨组织的形成，软骨组织富含蛋白多糖和Ⅱ型胶原。ZHAO等[33]将骨形态发生蛋白2、转化生长因子β3二者联合应用能更好地诱导外周血来源间充质干细胞成软骨分化，二者具有明显协同作用，并且在与脱钙骨基质复合修复滇南小耳猪骨缺损时，接近于周围正常软骨组织。在多种因子的共同作用下，外周血来源间充质干细胞有其成软骨优势，能作为更加理想的种子细胞应用于软骨组织工程。
外周血中间充质干细胞数量少，而动员剂可能存在的毒副作用难以避免，更加安全有效的动员方法还待研究。LONGHINI等[57]使用电针刺激成功地将间充质干细胞动员到血液中，而没有产生其他干细胞动员剂(如肾上腺素、多巴胺、集落刺激因子或AMD3100)诸如发热、不适和疼痛所带来的不良反应。此研究为安全有效获得外周血来源间充质干细胞提供了一个新的方向，更多切实可用的方法还需要进一步探索。
关于外周血来源间充质干细胞在软骨组织工程中的应用，大致分为2类：一类为间充质干细胞的直接注射，另一类则为间充质干细胞体外成软骨诱导后再加之利用，他们的研究结果似乎均有积极的作用。然而，目前并没有相关实验进行两者之间的比较，体外诱导成软骨再行体内移植，是否可以缩短体内软骨修复效率，亦或是直接注射使细胞存在于体内微环境更有利于细胞生长分化，这些还不得而知，之后还需要进一步实验证实较佳的应用方式，以便为外周血来源间充质干细胞的临床应用提供一个切实可行的方式。
虽然现在只是停留在基础研究及动物和人体试验阶段，与其他组织来源间充质干细胞相比，外周血来源间充质干细胞的培养相对困难，导致其在体内应用的报道较少，还没有任何实验能够产生令人信服的、可重复的、持久的、整合良好的关节软骨再生。相信随着科学的不断发展，相关研究的不断深入，外周血来源间充质干细胞将会给软骨损伤的治疗带来一个崭新的突破，具有良好的应用前景。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：干细胞；骨髓干细胞；造血干细胞；脂肪干细胞；肿瘤干细胞；胚胎干细胞；脐带脐血干细胞；干细胞诱导；干细胞分化；组织工程

外周血源性间充质干细胞修复骨关节炎软骨损伤的应用前景与问题

Application prospects and problems of peripheral blood derived mesenchymal stem cells in cartilage repair of osteoarthritis

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表（结果） 1

参考文献

相关文章 15

引言

材料方法

讨论

文章快阅

延伸阅读

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	蒲锐, 陈子扬, 袁凌燕. 不同细胞来源外泌体保护心脏的特点与效应[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(在线): 1-.
[2]	林清凡, 解一新, 陈婉清, 叶振忠, 陈幼芳. 人胎盘源间充质干细胞条件培养液可上调缺氧状态下BeWo细胞活力和紧密连接因子的表达[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(在线): 4970-4975.
[3]	黄登承, 王志科, 曹学伟. 体外冲击波疗法治疗中老年膝骨关节炎短期疗效对比的荟萃分析[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1471-1476.
[4]	彭智浩, 冯宗权, 邹勇根, 牛国庆, 吴峰. 活动平台单髁置换后下肢力线与外侧间室骨关节炎进展的关系[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1368-1374.
[5]	刘翔翔, 黄云梅, 陈文列, 林如辉, 卢小冬, 李钻芳, 许亚晔, 黄美雅, 李西海. 早期骨关节炎模型大鼠半月板白区细胞的超微结构变化[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(8): 1237-1242.
[6]	张秀梅, 翟运开, 赵杰, 赵萌. 类器官模型国内外数据库近10年文献研究热点分析[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(8): 1249-1255.
[7]	王正东, 黄娜, 陈婧娴, 郑作兵, 胡鑫宇, 李梅, 苏晓, 苏学森, 颜南. 丁酸钠抑制氟中毒可诱导小胶质细胞活化及炎症因子表达增多[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(7): 1075-1080.
[8]	汪显耀, 关亚琳, 刘忠山. 提高间充质干细胞治疗难愈性创面的策略[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(7): 1081-1087.
[9]	万然, 史旭, 刘京松, 王岩松. 间充质干细胞分泌组治疗脊髓损伤的研究进展[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(7): 1088-1095.
[10]	廖成成, 安家兴, 谭张雪, 王倩, 刘建国. 口腔鳞状细胞癌干细胞的治疗靶点及应用前景[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(7): 1096-1103.
[11]	谢文佳, 夏天娇, 周卿云, 刘羽佳, 顾小萍. 小胶质细胞介导神经元损伤在神经退行性疾病中的作用[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(7): 1109-1115.
[12]	李珊珊, 郭笑霄, 尤冉, 杨秀芬, 赵露, 陈曦, 王艳玲. 感光细胞替代治疗视网膜变性疾病[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(7): 1116-1121.
[13]	焦慧, 张一宁, 宋雨晴, 林宇, 王秀丽. 乳腺癌类器官研究进展及临床应用前景[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(7): 1122-1128.
[14]	王诗琦, 张金生. 中医药调控缺血缺氧微环境对骨髓间充质干细胞增殖、分化及衰老的影响[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(7): 1129-1134.
[15]	曾燕华, 郝延磊. 许旺细胞体外培养及纯化的系统性综述[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(7): 1135-1141.