当膝关节骨关节炎遇上间充质干细胞
编辑、整理： 暖手
撰文： 林之、暖手
8月14日发表在PNAS上的一项研究，来自哈佛大学的古人类学家Ian Wallace和Daniel Lieberman及其同事研究了近2600具保存在研究或教学中的骨骼，自1940年以来，膝盖骨关节炎的发病率已经增加了一倍多，从6%上升到16%。
膝关节骨关节炎（KOA）是临床上一种常见的慢性骨关节疾病，具有膝关节软骨变性、破坏及骨质增生等特点，有一定的致残性。目前该病的发生与衰老、炎症、关节过度使用及遗传等因素相关。
图片源自：www.baicaolu.com
在美国45岁以上的人中，有近20%的人患有膝盖骨关节炎，关节软骨破裂；随着年龄的增长，该疾病的患病几率也会增加。科学家们长期以来怀疑，这一数字在最近几代已经上升了。因为大多数美国人的寿命比他们的祖父母长，研究人员推测，人口老龄化可能是罪魁祸首之一。另一个关节劳损的嫌疑犯是肥胖，目前美国超过三分之一的成年人都有肥胖问题，而上世纪60年代初这一比例为13%。
据世界卫生组织调查研究显示，目前全世界骨关节病患者已超过4亿。在亚洲地区，每6个人中就有1人在一生的某个阶段患上骨关节炎疾病。骨关节炎疾病多发于中老年人，且女性多于男性。
我国的骨关节炎患者超过人口总数的10％，多达1亿以上，膝关节炎致残率全球第二，且发病率随年龄增加而增高，防控形势严峻。
膝关节炎俨然已是现代人的通病，以膝关节炎为例，青春期软骨厚度为2.5公分，随着年龄增长、使用频繁而逐渐变薄，到55岁时一般只剩下0.5公分，若有外伤或长年负重者，软骨可能更薄，甚至有破裂、骨刺的产生。
目前的主要治疗以对乙酰氨基酚、NSAIDs 类药物、润滑剂及类固醇激素关节腔注射、软骨保护剂为主，但这些治疗方法的疗效有限，且不能阻止疾病的进展。
随着干细胞研究的深入以及生物工程技术的普遍应用，越来越多的研究者在探索这些技术方法在骨关节炎治疗领域中的应用可行性，通过基础研究和临床试验，试图找到修复关节软骨、恢复关节结构和功能的方法。这些方法也逐渐展现出较为乐观的应用前景。
▆ 体外培养扩增MSCs修复关节软骨
由于MSCs具有多向分化潜能和高增殖特性，取材容易，组织相容性好，表型稳定等优点，在扩增过程中可保留其干细胞特性，促进软骨细胞增生。最近发现其还有营养、抗炎、抗免疫特性，因此MSCs是可用于关节软骨细胞治疗来源的另一选择。
动物实验研究发现扩增培养后的MSCs能够修复软骨和软骨下骨，并能控制继发性骨关节炎进展。近年来，不断有MSCs治疗骨关节炎的相关研究进入临床试验阶段。Soler等开展了一项系列临床试验，将自体MSCs进行体外扩增培养后注入体内，结果在损伤区域出现再生软骨，并因此认为这一疗法安全可行。
▆ MSCs分化调节和软骨细胞生长控制
正常关节软骨细胞能够在机体内形成稳定的软骨组织，并且能够对抗血管生成、钙化及软骨内成骨。对用于骨关节炎软骨修复的再生软骨细胞来说，这些都是其需要具备的特性。然而目前维持软骨细胞稳定性的分子机制仍不明确。
曾有学者应用经典微团/微粒高细胞密度平板进行体外实验，观察MSCs软骨分化，试图重启软骨化级联反应，而这种方法所诱导的是一种“非自然”的分化途经。结果除了出现透明软骨标志物的表达外，还同时发现了纤维软骨和肥厚性软骨。纤维软骨的主要特征是以Ⅰ型胶原纤维为主，机械性能较透明软骨差，且随时间推移更容易发生退变。
▆ 细胞因子对干细胞软骨化的影响
MSCs具有多向分化潜能，在关节组织内同时具有成骨和成软骨特性。实际上，在调节干细胞向软骨细胞分化的过程中，在各个不同的生物阶段MSCs分化受到许多因素影响，如细胞因子、激素、生长因子等。不仅仅是在分化过程中，还包括细胞增殖、凋亡以及维持细胞稳定性这些过程中，细胞因子都显得尤为重要。
▆ 干细胞植入方法
要成功实现干细胞治疗，除合适的细胞来源及对细胞成软骨过程的精确调控外，还需要选择合适的植入方法。
细胞治疗模式图。细胞、信号分子、支架是实现细胞治疗修复软骨的三个重要因素
将干细胞以最恰当的方式送入关节内产生最大化的治疗效果。目前在临床试验中主要采取的方法包括直接植入MSCs细胞和载MSCs支架植入等方式，在膝关节内植入MSCs或混合有细胞因子、生长因子的MSCs。
载MSCs支架植入
支架是向移植细胞所在微环境提供营养的一种载体，按其构成材料不同可分为胶原蛋白、纤维、透明质酸等多种类型。经常被用来作为细胞基质，构成细胞微环境的细胞载体。在MSCs 的研究兴起之前，就有研究者尝试利用支架技术装载体外培养的软骨细胞植入体内，使细胞与支架材料达到高效复合。Kayakabe 等曾报告用透明质酸凝胶海绵作为载体向兔关节内移植自体骨髓MSCs，能够有效修复损伤的关节软骨，移植12周后可以在损伤的关节软骨周围观察到类似修复后的关节软骨。
局部注射MSCs
局部应用MSCs有许多优点，不仅能够强化关节修复，还可减缓骨关节炎导致的退变，同时也是治疗骨关节炎最简单易行的方法。Centeno 等通过24周的MRI跟踪监测发现，植入自体MSCs能够刺激软骨生长，减轻退变关节的疼痛症状。
混合注射
混合注射即干细胞联合生长因子、细胞因子与支架混合植入，通过植入混合有细胞因子或生长因子的支架来提高疗效。Mrugala等在含有绵羊MSCs的纤维蛋白凝胶里添加或不添加壳聚糖和TGF-β3移植到骨关节炎关节内，结果发现植入添加了壳聚糖和TGF-β3的绵MSCs 能够产生治疗效果。
富血小板血浆（platelet-rich plasma，PRP）是一种富含TGF-β、血小板源性生长因子等软骨化生长因子的自体组织，可被用来作为治疗软骨损伤的组织来源［60］。临床研究证实使用富血小板纤维蛋白凝胶治疗后膝关节功能改善，经MRI证实能够修复损伤，且修复组织与原关节面软骨组织相容性好。Seo等发现，联合应用双层凝胶/β-磷酸三钙与干细胞、软骨细胞、BMP-2 和PRP治疗马距骨软骨损伤，能够刺激软骨再生。
▆ 应用干细胞治疗的临床研究
随着细胞治疗技术用于动物和体外实验的证据不断增多，采用基于软骨细胞和间充质干细胞的组织工程技术修复关节软骨损伤、实现软骨再生已经显示出良好的前景，一些临床试验也在逐渐开展。尽管各项研究存在方法学差异，疗效评价体系也不尽相同，但临床疗效整体令人满意，患者症状得到明显改善。
国外学者进行了一项单中心随即对照单盲研究，将14例患者分为两组，比较MSCs与自体软骨细胞植入两种方式的修复效果，于手术后3、6、12、24个月评估修复情况。结果证实两组临床评估均较术前改善，在所有随访时点MSCs处理组功能恢复更明显。MSCs治疗组在膝关节损伤与骨关节炎评分（kenn injury and osteorthritis outcome score,KOOS）中的疼痛、症状、日常生活及运动活力、生活质量等子项目评分和术后6个月时的视觉模拟评分(visual analogue scale,VAS)明显优于后者,术后24个月复查MRI提示全部病例均移植成功，因此他们认为给予间充质干细胞的治疗技术能够有效加速软骨缺损的修复。
2014年韩国学者Jo等2×108个患者自体脂肪来源间充质干细胞经关节腔注射治疗早期骨关节炎，注射后MRI、关节镜和组织学检查磨损处软骨再生明显。再生的软骨具有透明样软骨组织学特点，患者临床症状得到明显改善，疼痛减轻或消失，且未见明的显毒副作用。
2015年日本学者Srkiya等应用患者自身的滑膜来源间充质干细胞移植治疗骨关节炎，获得了明显的治疗效果。
浙江湖州市第三人民医院对照了透明质酸钠与UC-MSCs治疗中重度膝骨关节炎后得出结论，UC-MSCs移植治疗严重膝骨关节炎较透明质酸钠能更快速、更显著、更持久地减轻关节疼痛、改善关节功能。
研究人员将脐带间充质干细胞和玻璃酸钠注射至骨关节炎患者受损组织内。经过一段时间的观察结果显示，脐带间充质干细胞联合玻璃酸钠修复骨关节炎缺损的效果十分明显，缺损部位检测到新生软骨信号，软骨缺损部位重新覆盖了白色软骨样组织，新长出的软骨组织与自身软骨组织结合紧密，较光滑，有软骨光泽，且结构与正常软骨类似。
赣南医学院第一附属医院观察脐带血来源的间充质干细胞移植治疗膝关节骨关节炎临床疗效。研究小组从2011年9月～2013年3月筛选该院住院的膝关节骨关节炎患者12例，随机分为治疗组和对照组各6例。治疗组进行脐带血来源的间充质干细胞移植治疗，对照组关节腔注射玻璃酸钠。
研究显示，脐带血来源的间充质干细胞移植治疗膝关节骨关节炎可明显改善膝关节疼痛及功能，可能成为膝关节骨关节炎治疗的新方法。
参与者中71名接受自体MSCs注入，接下来的94名接受自体MSC与纤维蛋白胶支架植入。其中，52名在注射组的患者和63名在植入组的患者同意后续关节镜评估。对所有的病人，干细胞取自脂肪组织，准备好的干细胞平均值为4.01×10６ 。结论：本项对膝骨关节炎患者的研究发现，间充质干细胞能够对骨膝关节炎产生显著的改善，尤其是在关节镜下手术植入者中。
间充质干细胞在膝关节骨关节炎治疗中已经展现出更快速、更显著、更持久地减轻关节疼痛，改善关节功能的特点，期待更高证据水平的研究和更有突破性的细胞治疗技术，进一步推动这一技术的发展。
参考资料
1、 doi:10.1126/science.aan7238
2、 间充质干细胞移植治疗膝关节骨关节炎临床观察
3、 Compapative Matched-Analysis of the Injection versus Implantation of Mesenchymal Stem Cells for Knee Osteo - arthritis
4、 4.周强，李起鸿，戴刚，等.关节软骨细胞三维支架双向接种体外生成软骨组织的观察[J].中华骨科杂志.2002.22(6):372-276.
DOI：10.3760/j.jssn:0253-2352.2002.06.014
5、脐带间充质干细胞治疗严重膝骨关节的对照研究
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