Different artificial bones combined with bone marrow mesenchymal stem cell therapy for early osteonecrosis of the femoral head: controversy and progress

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2014.12.025

Abstract

Abstract:

BACKGROUND: Clinically, bone marrow mesenchymal stem cells combined with artificial bones for early osteonecrosis of the femoral head have a wonderful outcome.
OBJECTIVE: To review the biological properties of bone marrow mesenchymal stem cells and to summarize the application progress of bone marrow mesenchymal stem cells combined with different artificial bones in the treatment of early osteonecrosis of the femoral head.
METHODS: PubMed (2003-2013), FMJS (2003-2013), Wanfang (2005-2013), CNKI (2005-2013) and CBM (2005-2013) databases were retrieved by computer using the keywords of “bone marrow mesenchymal stem cells; artificial bone; osteonecrosis of the femoral head” in Chinese and English.
RESULTS AND CONCLUSION: It will lower the pressure of the femoral head, accelerate repair of the blood capillary, improve the blood supply, osteoblast proliferation and differentiation, and thus delay or even prevent artificial joint replacement after osteonecrosis of the femoral head by applying bone marrow mesenchymal stem cells combined with different artificial bones, such as corlline hydroxyapatite, calcium hydroxylaptite, biological ceramics and calcium sulfate bones. But now, there are still a lot of problems which need to be solved, including pathological mechanism underlying bone marrow mesenchymal stem cells for treatment of osteonecrosis of the femoral head, obvious difference between the quantity and quality of seed cells because of individual difference, different sites and culture techniques. So, artificial bone materials are under review, and large-sample randomized control trials are required. Its long-term outcomes also lack for follow-up observation, as well as there is no a unified quantitative standard for the appropriate selection of indication, curative effect evaluation and the awareness of the operation.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

全文链接：

Key words: biocompatible materials, stem cells, femur head necrosis, review

CLC Number:

R318

Bi Xin, Li Duo-yu, Yang Yi, Gong Yue-kun, Li Biao. Different artificial bones combined with bone marrow mesenchymal stem cell therapy for early osteonecrosis of the femoral head: controversy and progress[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2014, 18(12): 1957-1962.

Figures/Tables 1

2.1 骨髓间充质干细胞间充质干细胞是一类来源于中胚层，具有多向分化能力的原始祖细胞，其中在骨髓组织中含量最为丰富。骨髓间充质干细胞取材方便，对供体损伤小，易于体外培养增殖，抗原性小，传代培养过程中始终保持多向分化潜能并仍具有成骨能力，这一系列优点使之成为修复坏死股骨头组织的最理想组织工程种子细胞之一[10]。 2.1.1 骨髓间充质干细胞的主要生物学特性 ①增殖性与多分化性：骨髓间充质干细胞具有干细胞的基本生物学特性，在一定条件下能够自我复制、更新并具有分化为成骨细胞、成软骨细胞、成肌细胞、成纤维细胞等多种细胞谱系的潜能[11-12]。②高保真性：骨髓间充质干细胞每次传代细胞数量约增加2.2倍，传代培养38代之后仍然保持多向分化的潜能，并可保持细胞端粒酶活性及染色体核型一致[13]。③易贴壁性：骨髓间充质干细胞在体外培养时会贴壁生长，这种特性可将其与不易贴壁的造血干细胞分离开。Bianco等[14]研究发现骨髓间充质干细胞在体外培养容易贴壁生长，传代后形成集落、最后分化成定向祖细胞并保持原有性状大量扩增。 2.1.2 骨髓间充质干细胞的成骨诱导由于骨髓间充质干细胞的生物学特性决定了其具有多向分化潜能，在不同的微环境中骨髓间充质干细胞通过与各种细胞因子及细胞基质、激素的相互作用，触发调控干细胞选择分化的特定关键基因表达，从而决定骨髓间充质干细胞的分化方向。在骨组织工程学研究中，特别是运用骨髓间充质干细胞治疗股骨头坏死的研究中，需要诱导其向成骨细胞分化，经典诱导途径为地塞米松、β-甘油磷酸钠和维生素C三者联合应用，诱导骨髓间充质干细胞向成骨细胞分化和体外成骨[15]。此种组合中，低浓度地塞米松在成骨分化促进基质合成及钙化[16]；维生素C的作用主要是促进体外培养细胞合成Ⅰ型胶原并形成钙化，同时调节碱性磷酸酶的活性，使之作为成骨细胞成熟的标志性酶[17]；β-甘油磷酸钠可为骨髓间充质干细胞提供磷酸盐，加速钙化。谢兴文等[18]研究表明合适剂量的骨形态发生蛋白、成骨生长肽、转化生长因子β等多种生长因子及1，25-(OH) 2维生素D3对骨髓间充质干细胞向成骨分化也有一定促进作用，但这些细胞因子的作用机制，相互之间的理化作用，最佳量效比等一系列问题目前尚有待进一步研究[19]。 2.1.3 骨髓间充质干细胞活性及分化能力对股骨头坏死机制的影响在不同病因的股骨头坏死分类中，微循环障碍，骨细胞、骨髓组织坏死，骨髓间充质干细胞向成骨细胞分化能力的下降是其共同病理机制[20]。Lee等[21]研究表明酒精性股骨头坏死及特发性股骨头坏死患者骨髓间充质干细胞成骨分化能力明显低于髋关节骨性关节炎患者，而激素性股骨头坏死患者虽然成骨能力有所提高，但差异无统计学意义，股骨头坏死各组和骨关节炎组患者骨髓间充质干细胞成脂分化能力均未改变；据此推断股骨头坏死与骨髓间充质干细胞成骨分化能力改变有关。Suh等[22]比较了酒精性股骨头坏死患者和未出现股骨头坏死患者股骨干近端骨髓间充质干细胞的分化增殖能力，结果发现酒精性股骨头坏死患者股骨近端骨髓间充质干细胞的数量及分化增殖能力明显下降，因此推测股骨头坏死可能与骨髓间充质干细胞的数量及分化活性降低有关。一些学者认为，若骨髓间充质干细胞或祖细胞数量减少, 并且增殖分化功能降低，将打破成骨细胞生成与凋亡之间的平衡，如此种失衡状况不可逆将最终导致股骨头坏死，因此推测股骨头坏死的发病机制可能与成骨细胞及骨髓间充质干细胞的数量降低、功能下降有关[6,23]。 2.2 复合骨髓间充质干细胞的不同人工组织骨材料治疗股骨头坏死的进展组织工程的3要素可归纳为种子细胞、信号因子和支架材料[24]。近年来骨组织工程学的兴起，为临床上运用骨髓间充质干细胞治疗股骨头坏死提供了强有力的支撑。骨组织工程学中支架的优势：骨组织材料在结构力学层面上能够加强坏死股骨头区域的骨质强度；骨组织材料为骨髓间充质干细胞、生长因子等载提供了良好的物理载体，使得骨髓间充质干细胞在成骨因子的诱导下更加准确高效地向成骨细胞分化；在坏死股骨头局部空间内形成一个有利于成骨细胞、新生毛细血管、血管周围组织长入的三维结构；骨组织材料保证了在股骨头坏死区域有较高浓度的骨髓间充质干细胞富集，避免了骨髓间充质干细胞的局部流失，促进局部成骨并阻碍周围组织长入[25]。应用骨髓间充质干细胞复合不同支架材料治疗股骨头坏死的研究在基础实验，甚至临床试验中已逐渐开展，但目前临床应用仍是以比较初级的骨髓间充质干细胞混悬液介入治疗、局部注射等方式为主。骨支架材料根据来源不同，总体分为以下两大类： 2.2.1 天然衍生物材料天然衍生物骨组织材料是经人工技术加工制备但其原始理化性状未改变的天然质地支架材料，其具有取材丰富、制作简单、抗原性弱、组织相容性好、天然孔隙结构大且规整等特点。其缺点是在体内降解时间受个体差异、理化因素等影响较大，不可精确统计；物理强度、生物力学性能和材料加工性能较差；而且其品质因原料的来源、产地不同而导致其骨组织质量的重复性差[26]。目前动物实验及临床上研究运用较为广泛的天然衍生物材料有天然人工骨、胶原材料、壳聚糖及其衍生物、珊瑚人工骨等。临床上治疗股骨头坏死多集中于以下几种天然衍生物材料的研究。天然人工骨：主要利用天然骨质的有机成分或无机成分所特有的天然三维网状孔隙系统结构为物理支架，具有与宿主骨质高度的同源性，利于新生成骨细胞黏附、增殖并发挥成骨作用，为成骨细胞、骨髓间充质干细胞、细胞因子等提供利于分化增殖的内部空间和表面微环境，尽可能避免抗原性等免疫反应的发生，并且有着良好的生物降解性[27]。Hemigou等[28]运用髓芯减压同种异体骨联合骨髓间充质干细胞移植治疗116例189髋，随访5-10年，结果显示早期股骨头坏死(Ⅰ、Ⅱ期) 145髋中有9髋远期需进行髋关节置换，晚期股骨头坏死 (Ⅲ、Ⅳ期) 44髋中有25髋远期需行人工全髋关节置换。国内陈生文等[29]对40例52髋进行了髓芯减压、骨髓间充质干细胞复合同种异体骨移植治疗，随访时间平均为27个月，其中9例Ficat分期Ⅲ期患者术后持续出现髋关节疼痛及活动受限，最终仅3例远期行人工髋关节置换。大量临床研究证明天然骨作为支架材料复合骨髓间充质干细胞治疗早期股骨头坏死效果明显。珊瑚人工骨：珊瑚的化学成分中99%为碳酸钙，其分子式为Ca5(PO4)3OH，孔径150-200 μm，孔隙率约36.5%。珊瑚的优点为：具有良好的骨传导性、生物相容性及生物可降解性；其物理结构具有类似无机骨的三维微孔系统，并且在高孔隙率状况下仍能保持一定的物理强度。其缺点为力学性能较差、无骨诱导作用、不易加工、可重复性差[30]。黄涛等[31]研究评价生物珊瑚人工骨材料复合小鼠胚胎干细胞构建组织工程骨的有效性及材料生物相容性，空白支架材料(单纯骨髓间充质干细胞培养支架)于第8周开始骨降解，12周达初步降解，无异位成骨；黏附骨髓间充质干细胞的生物珊瑚人工骨支架材料则有明显异位成骨现象，且较对侧空白支架材料生物降解时效延长。SciMini等[32]运用骨形态发生蛋白/珊瑚人工骨修复犬类节段性桡骨缺损，效果明显。徐晓良等[33]运用骨形态发生蛋白/胶原/珊瑚复合人工骨修复犬股骨头坏死骨缺损，影像学检查发现其股骨头坏死、骨缺损的大小、静态相核素摄取量显著减小，MRI示坏死局部活跃成骨，说明骨形态发生蛋白/胶原/珊瑚复合人工骨具有较强的修复股骨头坏死、骨缺损的作用。Chen等[34]将兔自体骨髓间充质干细胞复合多孔珊瑚支架材料，在体内构建出具人髁状突形态的骨组织。以上大量研究表明珊瑚人工骨是一种良好的支架材料，目前在股骨头坏死早期治疗中的运用刚刚起步，研究前景广阔。 2.2.2 合成材料人工骨合成材料人工骨是指运用人工材料经过加工合成的支架人工骨组织，其优点是物理强度、生物力学性能和材料加工性能较强，骨组织质量的重复性较强。但其也具有明显的缺点，如人工合成材料在体内的降解时间难以检测及调控，有些合成材料在填充部位吸收缓慢，甚至不吸收；而有些合成材料在填充部位又吸收过快，导致修复部位不能维持理想形态；有些合成材料在植入人体内后可产生明显排异反应，组织相容性较差，不利于新生骨的改建；有些作为支撑材料的人工骨无法营造充分的三维孔隙空间，不利于成骨细胞长入。合成人工骨材料种类繁多，但实验研究及临床运用于股骨头坏死修复的尚较少，常见的有羟基磷灰石合成材料、钙-磷合成材料等。羟基磷灰石人工骨材料：羟基磷灰石([Ca10(PO4)6(OH)2])是一类目前研究较为广泛且具有良好生物相容性的生物活性材料，其优点包括：植入体内安全、无毒，组织相容性好，能提供良好的支架空间，新生骨组织可从其内部空隙及与自体骨质结合处攀附生长，并与接触骨组织在界面上形成化学键性结合，增加结合强度。其缺点为生物力学性能差，脆性大，抗压、抗折强度低[35-36]。为了解决其作为支撑材料的上述致命性缺点，越来越多的研究者逐渐开始研发纳米级羟基磷灰石人工骨材料。Wang等[37]研究发现羟基磷灰石颗粒越小，其作为人工植入骨的拉伸模量、拉伸强度、扭转模量越高，疲劳抗力也相应提高，生物力学强度增加，具有更佳的生物性能[38]。经过前人无数次的实验尝试，探索出较为成熟的制备纳米级羟基磷灰石方法：首先用溶胶-絮凝法改善其原来的生物力学性能，解决其脆性大，抗压、抗折强度低，承重能力差的缺点，随后运用不同的工艺制备出孔隙率为90%以上，孔径50-500 μm的不同种类多孔纳米羟基磷灰石，从而达到骨传导功能与生物力学性能的高度统一[38-39]。Pezzatini等[40]采用纳米羟基磷灰石在体外进行实验，观察纳米粒子对于血管化、微血管内皮细胞生长、迁移、分化的影响，证实了此种纳米材料能很好地促进内皮细胞的存活及分化，刺激血管内皮细胞向微血管样结构分化，可作为良好的人工骨替代物进行骨缺损、坏死股骨头减压填充的动物及临床实验。穆晓红等[41]利用纳米材料支架与骨髓间充质干细胞构建纳米人工骨修复兔缺血性股骨头坏死，人工骨植入12周后X射线示，原坏死区域骨质近似周围正常骨组织，有新生骨小梁填充，证实纳米人工骨具有较好的生物降解性和组织相容性，有可能作为组织工程的优良载体复合骨髓间充质干细胞治疗早期股骨头坏死。Yamaski等[41]应用骨髓间充质干细胞复合纳米羟基磷灰石移植治疗早期股骨头坏死，结果表明此种复合材料不仅能促进成骨细胞分化增殖，修复坏死骨组织，并且具有一定力学强度，能起到支撑成骨细胞及骨小梁长入的三维立体结构，从而证实复合骨髓间充质干细胞的羟基磷灰石人工骨能有效阻止股骨头坏死的进一步发展。钙-磷生物陶瓷人工骨：目前钙-磷生物陶瓷材料是应用较为广泛的无机骨替代材料，其主要成分为钙-磷复合离子，与正常骨组织的无机成分相似。钙-磷陶瓷作为理想的支架材料，不仅生物强度较大，能起到支撑作用，而且具有与人体骨组织矿物质相似的钙，钙磷比例小于1.6，在体内有一定的降解性；其自身的多孔结构为成骨细胞生长及新生骨组织的长入提供了三维空间，保证了骨质再生与修复的必备条件[43-44]。所有类型的生物陶瓷中，大孔壁表面及内部富含微孔的复合多孔陶瓷材料具有诱导成骨能力，并具有良好的生物相容性，其表面能够吸附骨形态发生蛋白、表皮生长因子等诱导新生成骨细胞增殖。孙伟等[45]将兔骨髓间充质干细胞复合磷酸三钙多孔生物陶瓷植入坏死股骨头缺损部位，采用扫描电镜观察其体内成骨的超微结构，发现支架材料适合骨髓间充质干细胞的黏附、生长、增殖及分化，证实了骨髓间充质干细胞与磷酸三钙多孔生物陶瓷复合材料在股骨头坏死骨缺损修复中有明显的成骨效应，可作为早期股骨头坏死的治疗方案之一。Kawatek等[46]将早期股骨头坏死患者自身骨髓间充质干细胞与磷酸三钙复合，联合带血管蒂腓骨移植入对其进行治疗，34个月后长期随访，发现所有接受治疗患者的坏死股骨头均有不同程度修复，伴有新生骨组织形成。有研究运用磷酸三钙陶瓷复合体外培养的兔骨髓间充质干细胞修复兔股骨头坏死液氮冷冻模型，实验中可观察到植入以上复合材料的坏死股骨头组织血供明显改善，塌陷骨小梁有一定程度的修复现象，因此认为复合自体骨髓间充质干细胞的磷酸三钙陶瓷材料不仅具有良好的组织相容性，并且能够营造理想的三维空间结构，促进坏死股骨头的修复与重建。 2.2.3 硫酸钙人工骨医用半水硫酸钙(CaSO4·1/2H2O)不仅具有良好的生物相容性，而且能够在体内降解吸收，被新生骨组织所代替，有很强的骨传导性，是目前理想的骨移植替代材料。特别是近几年Palmieri 及Lazary等[47-48]研究发现硫酸钙在特定条件下具有潜在的骨诱导性，能诱导骨髓间充质干细胞向成骨细胞分化，更加奠定了其在治疗骨缺损，甚至下一步治疗股骨头坏死方面的研究前景。Liu等[49]运用可注射硫酸钙强化绵羊椎体内取出椎弓根钉后的椎弓根螺钉钉道，研究表明随着可注射硫酸钙逐渐降解，残留钉道稳定性显著提高，证明硫酸钙有着良好的成骨效应。Blaha等[50]在股骨头坏死行全髋置换及全髋关节翻修中，运用医用半水硫酸钙复合骨髓间充质干细胞作为骨缺损局部填充物，随访观察到硫酸钙逐渐被吸收，缺损部位被骨小梁代替，在新骨组织填充缺损部位保持了骨质的原有形态。总体来说，硫酸钙是一种兼有骨传导和骨诱导作用的新型生物材料，随着研究的不断深入及对硫酸钙骨诱导机制了解的不断完善，其在于治疗骨缺损及股骨头坏死方面的运用将越来越广泛。"

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