骨髓间充质干细胞治疗骨关节炎：可能与未来

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2014.06.024

摘要/Abstract

摘要：

背景：药物治疗骨关节炎不理想，近年来越来越多的研究在尝试采用干细胞移植治疗骨关节炎。

目的：综述分析干细胞治疗骨关节炎及其临床应用、和存在的障碍。

方法：由第一作者应用计算机检索PubMed、中国期刊全文数据库(CNKI) 1998年3月至2013年10月相关文献。在PubMed检索中输入英文单词“stem cell，Osteoarthritis，bone metabolism，bone marrow mesenchymal stem cells”之间以“AND”形式检索，在中国期刊全文数据库中输入主题词“干细胞，骨关节炎，骨代谢，骨髓间充质干细胞”之间以“并且”关系为检索词选择模糊查询进行检索。选择文章内容与干细胞治疗骨关节炎有关者，同一领域文献则选择近期发表在权威杂志文章。

结果与结论：初检得到79篇文献，选择了符合纳入标准的50篇文献进行综述。应用干细胞治疗骨关节炎，其治疗目的主要是通过促进软骨组织修复来达到，使用的方法是干细胞移植及诱导干细胞分化。干细胞可以治疗骨关节炎，具有广阔应用前景。

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

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关键词: 干细胞, 骨髓干细胞, 骨髓间充质干细胞, 骨关节炎, 骨代谢, 细胞治疗, 软骨组织修复

Abstract:

BACKGROUND: Nowadays treatment of osteoarthritis with drugs is not ideal. In recent years, more and more scientists try to use stem cells to treat osteoarthritis.

OBJECTIVE: To explore the stem cell treatment for osteoarthritis in order to promote its clinical application and find out its difficulties.

METHODS: A computer-based online search of PubMed database and CNKI database between March 1998 and October 2013 was performed to search related articles with the key words of “stem cell, osteoarthritis, bone metabolism, bone marrow mesenchymal stem cells” in English or in Chinese, respectively. The word “AND” was used for the connection between the word retrieval. Literatures related to stem cells treatment for osteoarthritis were selected; in the same field, the articles published lately in authoritative journals were preferred.

RESULTS AND CONCLUSION: A total of 79 literatures were primarily selected, and 50 documents were involved for summary according to inclusion criteria. The stem cell treatment for osteoarthritis is realized mainly by promoting the repair of cartilage tissue. Commonly used methods are stem cell transplantation and induced differentiation of stem cells. Stem cell treatment has broad application prospects for the treatment of osteoarthritis.

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Key words: stem cells, mesenchymal stem cells, bone marrow, osteoarthritis, cartilage, tissue therapy

中图分类号:

R318

张平平，向川. 骨髓间充质干细胞治疗骨关节炎：可能与未来[J]. 中国组织工程研究, 2014, 18(6): 968-973.

Zhang Ping-ping, Xiang Chuan. Bone marrow mesenchymal stem cells for osteoarthritis: its possibility and future[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2014, 18(6): 968-973.

图/表（结果） 1

2 检索结果 Results

初检得到文献79篇，其中英文62篇，中文17篇。首先阅读初检文献的标题和摘要进行初筛，研究目的与此文无关者排除英文11篇，中文3篇；内容重复性的研究英文8篇，中文7篇；最后保留其中50篇符合要求的中英文文献做进一步研究。其中文献[1-13]为骨关节炎机制的研究，文献[14-16]研究了软骨细胞的形态学特征，文献[17-20]研究了骨髓间充质干细胞的近期研究状况，文献[21-37]研究了骨髓间充质干细胞对软骨细胞的作用，文献[38-50]研究了骨髓间充质干细胞影响软骨细胞再生的可能机制。

3 骨关节炎中关节软骨损伤机制 Articular cartilage injury mechanism in osteoarthritis

3.1 骨关节炎时的软骨损伤 骨性关节炎最主要表现，是关节软骨的改变。正常关节软骨，含有大量的水合性软骨细胞外基质，它由少数特殊的软骨细胞群合成并加以保持。在成人，软骨细胞占整个软骨体积的2%以下。软骨基质主要由胶原和蛋白聚糖组成，蛋白聚糖主要以软骨聚集蛋白聚糖形式存在，它的分子巨大且与透明质酸聚合在一起^[14]。关节软骨的Ⅱ、Ⅸ、Ⅺ型胶原链接形成一个纤维网，构成了纤维软骨基质的结构支架，纤维方向各异、排列不同的纤维网被蛋白聚糖聚集体的高浓缩溶液所包绕。蛋白聚糖，是一种蛋白核心与糖胺聚糖链相连的复合性巨型分子。关节软骨的糖胺聚糖，主要是硫酸软骨素和硫酸角质蛋白。这些糖胺聚糖在溶液中带负电荷，起到关节软骨组织水合和产生巨大膨胀压力的作用。在关节软骨组织内也有许多其他更小的蛋白聚糖分子，其中的一些分子可以直接与胶原纤维链接^[14]。

骨关节炎所观察到的关节软骨丧失，开始为一种局灶性改变，例如老年骨关节炎患者，由于负荷产生的变化导致关节面改变，逐渐扩展累及一些特定的关节间隔。关节软骨退变，首先看到的是关节面的纤维化。裂缝大多与关节面平行，然后穿透损伤的关节软骨，最后抵达软骨下骨。早期可见关节的关节软骨细胞出现细胞克隆，不过已被证实这种现象的位置比较表浅。继而从表面开始，关节软骨厚度逐渐减少。骨关节炎发展到远期，还可见到骨、韧带和滑膜的变化。关节软骨除胶原减少外可见软骨聚集蛋白增加、软骨基质合成加快的软骨肥厚性表现。其后处于软骨基质循环加快，只消耗重要成分软骨基质的状态。最后可观察到关节软骨严重损坏，胶原网消失^[15-16]。

3.2 骨髓间充质干细胞的研究现状 骨髓间充质干细胞是一种多能成体干细胞，具有多向分化及自我更新的潜能，还具有明显的可塑性，且获取简便，易于体外培养、扩增。研究表明，骨髓间充质干细胞可体外被诱导分化为成骨细胞、脂肪细胞、肌细胞、神经细胞、上皮细胞等，已经被认为是组织工程及再生医学领域中具有广泛运用前景的种子细胞。许多体内研究表明骨髓间充质干细胞可迁移到损伤处，参与损伤组织的修复。Sasaki等^[17]学者通过体内实验研究发现骨髓间充质干细胞通过分化为各种皮肤细胞修复皮肤缺损；Beeres等^[18]利用骨髓间充质干细胞成功修复心肌细胞传导阻滞；Giannoni等^[19]发现骨髓间充质干细胞可以再生修复山羊长骨缺损；Aung等发现将骨关节炎患者的原代软骨细胞与骨髓间充质干细胞共培养，可以诱导骨髓间充质干细胞向软骨细胞分化，同时抑制了骨髓间充质干细胞的肥大。干细胞修复组织缺损方面的研究已经取得了丰硕的成果，并积累了充足的经验。现阶段有学者提出采用软骨细胞和骨髓间充质干细胞共培养^[20]，既利于成熟软骨细胞形成的微环境、分泌的细胞因子诱导骨髓间充质干细胞向软骨细胞分化，同时骨髓间充质干细胞分泌的细胞因子促进细胞增殖和合成基质，防治体外软骨细胞去分化。

3.3 骨髓间充质干细胞对退变软骨细胞作用及途径的研究进展 运用骨髓间充质干细胞治疗骨关节炎，就是通过采用软骨细胞和骨髓间充质干细胞共培养，来促进退变软骨细胞的恢复和新生软骨细胞的生成。共培养有两方面好处。一方面利于成熟软骨细胞形成的微环境、分泌的细胞因子诱导骨髓间充质干细胞向软骨细胞分化，另一方面骨髓间充质干细胞分泌的细胞因子又促进了细胞增殖和合成基质，以此来防治体外软骨细胞去分化。

在Rollin等^[21]的文章中，阐述了“骨关节炎患者的骨髓间充质干细胞比正常人更多地表达转化生长因子β，转化生长因子β和转化生长因子的受体”其利用蛋白质组技术分析后，还发现骨关节炎患者比骨质疏松患者的骨髓间充质干细胞对趋化因子的反应更强,这表明骨关节炎患者的退变软骨可以拥有更多的趋化信号，以此来增加骨髓间充质干细胞的增殖分化，而这正是缺损组织的修复所需要的。

但是，也有不同观点。Murphy等^[22]发现，来源于严重骨关节炎患者的骨髓间充质干细胞的成脂分化能力和成软骨分化能力，正常人明显下降。而在Dudics等^[23]的研究中，发现骨关节炎和类风湿关节炎患者的骨髓间充质干细胞成软骨分化能力与正常人无明显差异。

有学者对骨髓间充质干细胞的体外向软骨细胞分化能力进行了研究。运用体外软骨诱导单层培养，诱导分化为软骨细胞。Zhen等^[24]利用兔的骨髓间充质干细胞，将其与转化生长因子β1，地塞米松共培养，得到Ⅱ型胶原和x型胶原。Kasemkijwattana等^[25]利用人体髌下脂肪垫的骨髓间充质干细胞与软骨诱导培养物共培养，2周后得到可以分泌蛋白聚糖、多功能蛋白聚糖和胶原Ⅱ、Ⅸ、Ⅹ、Ⅺ的软骨细胞。Hegewaid等^[26]利用马的骨髓间充质干细胞，将其与转化生长因子β1，透明质酸、自体滑膜液共培养。成功诱导为软骨细胞。Hagmann等^[27]的文献中也提到转化生长因子β3与胰岛素样生长因子1一起可以诱导骨髓间充质干细胞向软骨分化。Wan等^[28]用人骨髓间充质干细胞经离心使细胞聚集，与地塞米松和转化生长因子β1共培养，同样使骨髓间充质干细胞分化成软骨细胞获得成功。Davatchi等^[29]在上述体系中又添加了骨形成蛋白6或骨形成蛋白2，结果更加增强了对软骨细胞的诱导。这些实验提示我们，由骨髓间充质干细胞向软骨细胞分化是一个复杂的多因子参与的联合反应^[30]。

关于动物的体内实验，文献中的实验均采用了兔作为实验对象。国外学者Madry等^[31]将胰岛素样生长因子1和成纤维细胞性长因子2用质粒转染到NIH 3T3细胞中，再将转然后细胞植入兔股骨滑车凹陷骨软骨缺损处，3周后实验结果显示此基因加速了软骨的修复。Mason等^[32]将骨形成蛋白7用病毒转染到兔骨髓间充质干细胞，再将转然后细胞植入到兔膝关节软骨缺损处，8周后，实验结果显示，有新的骨和软骨再生。Katayama等^[33]将软骨形态发生蛋白1通过脂质转染到骨髓间充质干细胞，再将细胞移植到兔膝关节软骨缺损处，结果缺损处被透明软骨填充，同时深部区域有重建的软骨下骨。国内也有学者做了类似实验，霍建忠等^[34]将转化生长因子β1用质粒转染骨髓间充质干细胞，再将转染后细胞植入兔关节软骨缺损处，12周后与正常软骨十分相近的透明软骨组织覆盖了缺损软骨。郭晓东等^[35]把将转化生长因子β1用质粒转染至骨髓间充质干细胞再将转染后细胞植入兔关节软骨缺损处，同样得到缺损处生成新生透明软骨的结论。

关于人体在体实验，相关文献报道的比较少，Christopher^[36]利用患有膝关节病变患者的髂嵴的骨髓间充质干细胞，采用经皮移植，经过24周的治疗后，可观察到患者关节运动情况明显改善，软骨和半月板显著生长，改进的目测类比VAS疼痛评分有所降低。Wakitani等^[37]利用患者骨髓的骨髓间充质干细胞，在混合胶原凝胶后，植入到膝关节软骨缺损处，经过42周的治疗后，观察到软骨缺损处，有透明质酸软骨样组织生成，其组织学评分和关节镜检查也有明显改善。

3.4 骨髓间充质干细胞防治骨关节炎可能机制的研究进展 骨髓间充质干细胞是一种具有高度自我更新能力和多向分化潜能的多能干细胞，广泛存在于人体多种组织中，其具有多向分化、低免疫原性和免疫调节功能，在免疫调节、减轻炎症反应、损伤修复方面表现出广阔的应用前景，并在相关领域取得较大进展^[38-39]。

现有实验数据的结果均提示骨髓间充质干细胞对软骨细胞的再生有促进作用，那么，其防治骨关节炎的可能机制是什么呢？相关研究提示骨关节炎的病变基础为骨相关性的，关节软骨改变是继发性的，其病理显示，骨关节炎会发生包括骨赘形成，软骨下骨硬化，部分患者最终进展为局灶软骨下骨坏死^[40-41]。骨关节炎从多方面与骨缺损处的增殖有关，同时伴随骨量及骨矿物质密度的改变。骨结构的这种改变提示，骨髓中的软骨先导细胞对于正常软骨的维持有重要作用。再者，研究发现，由软骨细胞合成的聚集蛋白聚糖其与年龄因素负相关，其吸收入聚合体的速度随年龄增长而减慢^[42]。这提示骨关节炎的发生与软骨细胞功能的改变也有关。而且，骨关节炎的发展常与严重的炎症并行。运用骨髓间充质干细胞防治骨关节炎，不仅能在结构上影响组织修复，同时可以进行有效的免疫修饰及抗炎^[43]。

骨髓间充质干细胞的较强软骨分化能力，和其原材料的易获得性，使其广泛应用于软骨组织工程修复成为可能。骨髓间充质干细胞的多向分化潜能，已经在多重肌肉骨骼组织和受伤部位的嫁接中取得了良好的效果。其分泌的多种生物活性分子^[44-45]，用于激活内源性前体细胞，且对机体进行免疫调节，对局部缺损组织进行修复。形成了防治骨关节炎发展的完整链条。鉴于骨髓间充质干细胞的这些特性，使其在骨关节炎的治疗上成为非常有前景的研究方向。国内学者许键炜等^[46]通过动物实验验证了骨髓间充质干细胞对关节炎的干预和治疗，实验收集了培养扩增SD大鼠骨髓间充质干细胞造模之后同体移植治疗，结果模型大鼠经骨髓间充质干细胞治疗后关节肿胀减轻，X射线片示骨质破坏明显修复。病理苏木精-伊红染色见关节滑膜病变减轻。干预组经干细胞治疗后，原发性炎症和继发病变均不明显，关节X射线片和病理检查均未见明显异常，与模型组大鼠相比，体质量、足爪体积以及踝关节周长差异无显著性意义。可见骨髓间充质干细胞治疗可有效减轻并逆转弗氏完全佐剂诱导的大鼠关节炎的进展。

国外一些专家也在尝试做了一些临床试验，Punwar等^[47]利用一个运动员股骨髁的自体骨髓间充质干细胞治疗大关节软骨全层缺损。手术前4周骨髓穿刺抽取病人的髂骨细胞，扩大培养后去除红细胞，然后嵌入胶原凝胶，将其转移到关节软骨缺损处，最后用自体骨膜瓣内覆盖。7个月后手术，关节镜检查发现缺陷处覆盖着透明样软骨样组织。手术后1年，患者临床症状明显改善，患者已经回到了他以前的活动水平。Hamoud等^[48]还对5例膝关节软骨缺损患者进行了试验，将骨髓间充质干细胞移植入富含血小板纤维蛋白胶(PR-FG)的支架上，对患者进行疗效跟踪，其结果是所有患者的症状和膝关节评分均有改善。

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引言

骨关节炎是机械性和生物性因素相互作用，使关节软骨细胞、细胞外基质和软骨下骨正常进行的合成与降解失去平衡的结果。它是一种慢性关节性疾病，随年龄增长而患病率明显增加的退行性疾病。女性患病率明显高于男性。随着年龄的增加，软骨下滋养血管数量下降，软骨生理、生化异常改变，软骨基质蛋白多糖生物合成和分解异常，软骨细胞不能合成正常的具有长链结构的透明质酸和聚氨基葡萄糖，导致关节软骨局部软化、失去弹性、磨损及结构破坏。患者以疼痛在承重时加重，关节软骨磨损和消失，骨质增生而至关节畸形，活动时关节有摩擦音，局部压痛及关节轻度肿胀为主要表现。国内外调查显示：骨关节炎的总体患病率为15%，40岁以上患病率为10%-17%，60岁以上患病率为50%。70岁以上患病率则达到80%^{[1-2]。骨关节炎的最终致残率达到53%，成为导致国内劳动力丧失重要原因之一。目前中国60岁以上老年人口已经超过1亿，意味着骨关节炎患者约有5 000万之多。骨关节炎已经严重影响了中国中老年人的生活质量。}

大多数形式的骨关节炎可以根据其主要的发病背景分为两类^[3]：原发性骨关节炎和继发性骨关节炎。原发性骨关节炎往往是自发的，常常以糜烂性炎症的形式侵袭特定或多个关节，这种关节病理状态可能是关节生物力学异常的结果，也可能是其他隐匿的全身性遗传变化的关节表现。另外关节内的机械压力可能使关节组织结构的维护能力降低，受损的范围加大。继发性骨关节炎，是由多种危险因素共同影响了作用于特定关节负荷的分布及强度所致，例如关节损伤。

研究发现无论原发性还是继发性的骨关节炎，其最终的病理发展都指向了关节软骨的损伤^[4-5]。正常关节软骨中包含大量含水的细胞基质，它由稀疏分布的软骨细胞合成并维持。基质的主要成分是胶原和蛋白多糖，软骨的Ⅱ型、Ⅸ型和Ⅺ型胶原连接形成一个纤维网，构成了关节软骨基质的结构支架，纤维方向各异、排列不同的纤维网被蛋白聚糖聚合体的高浓度溶液所包绕。包含Ⅵ型胶原的次级微纤维网集中在细胞表面和软骨囊基质之间的细胞外周基质中^[6-8]。骨关节炎中所观察到的经典关节软骨丧失可以从局灶性病变开始，最早出现在关节软骨表面。这些损伤逐渐扩展累及特定的关节间室，由于负荷的变化导致其他关节表面的改变。软骨退变首先以纤维化的形式出现在关节面^[9-11]。裂缝最初与关节面平行，然后垂直穿透损伤的关节软骨，最后抵达软骨下骨。早期在裂缝周围观察到细胞增殖，不过局限于表浅位置。这些细胞中有许多已经变的肥大。可以观察到从表面开始的软骨厚度逐渐减少^[12-13]。治疗骨关节炎的关键是要阻止这一进程的发展，并使受损软骨细胞得到修复。

文章总结并讨论了骨髓间充质干细胞与软骨细胞共培养，使受损软骨细胞得到修复来治疗骨关节炎的研究现状，为以后进一步的研究提供依据。

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
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讨论

随着预期寿命延长和人口结构变化，骨关节炎将成为更加严重的公共健康问题。预计到2050年，由骨关节炎引起的致残率人数将会增加一倍，医疗费用也将会以惊人的速度增长。骨关节炎是老年人长期丧失劳动力的重要原因之一，大部分患者是膝关节或髋关节受累，治疗疾病需要耗费大量个人和社会财力，其对生活的影响也显而易见。患者表现为逐渐发作的疼痛和僵硬，并伴有功能减退。疼痛逐渐开始或隐匿，成为中等程度，随受累关节活动加重，休息时缓解。虽然静息痛和夜间痛是严重疾病的特征，也可能提示局部炎症和近关节端骨内压增高。

骨关节炎发生的机制是多因素的，具体机制目前尚不十分清楚，可能是由于骨的重塑部位骨膜增生所致，也可能是软骨下微骨折、骨刺刺激关节囊、关节周围肌肉痉挛、骨血供减少骨内压增高以及滑膜炎症伴有前列腺素、白三烯和各种细胞激肽白细胞介素1的释放所致^[49-50]。骨关节炎的诱发因素也很多，包括遗传、发育、代谢和创伤等因素。临床上对于严重骨性关节炎的患者，由于器质性损坏和功能障碍加剧，临床医师更倾向于手术治疗方案。所以骨髓间充质干细胞治疗骨性关节炎的研究应更多开展于早中期患者的治疗上。对于早中期骨关节炎，目前的治疗方法包括减少负重、长期服用非甾体抗炎镇痛药、关节内注射透明质酸、服用氨基葡萄糖等。因为骨关节炎与多项分化细胞的损耗和退行性关节疾病有关，故以细胞为基础的软骨修复治疗方法，运用基质诱导的自体软骨细胞移植以及基因和干细胞治疗等治疗骨关节炎的设想，成为当前研究的热点。

骨髓间充质干细胞治疗骨关节炎的研究，仍主要处于基础实验研究阶段，对于人体在体的实验依然比较少。骨髓间充质干细胞具有多向分化功能，如何调节骨髓中骨髓间充质干细胞定向分化的转录因子之间相互影响机制目前尚未完全明确。现阶段研究表明影响骨髓间充质干细胞分化方向需要多转录因子参与调控，而不是由单一因素刺激完成。骨髓间充质干细胞与软骨细胞的共培养能够很好的诱导其向软骨细胞的定向分化，为后续的治疗骨关节炎提供了必要的技术支持。对于细胞的来源，研究显示，骨髓及滑液的骨髓间充质干细胞，要优于脂肪和肌肉来源。技术手法运用方面，细胞分离、扩增、分化、三维支架及无支架的骨髓间充质干细胞植入关节腔注射，自体骨移植等治疗技术已成为成熟的技术方法。因为骨关节炎的发生机制是多因素的，对于软骨细胞的修复对于骨关节炎的治疗有多大改善，是能够将已发生的骨关节炎逆转性的恢复到发病以前，还是能够阻止其进一步发展，抑或只是起到预防骨关节炎损伤的作用？这些问题都需要经行大范围的人体在体试验才能得出结论。对于人体在体实验中要面对的生物力学因素，生理微环境的不同，营养状态的改变等问题，都有待其他学者做进一步研究和临床分析。