《国际分子科学杂志》：几个影响干细胞疗效的因素

点击上方卡片，关注“细胞王国”

撰文｜摩西

编辑｜南风

声明｜本文仅作为公益科普，拒绝商业用途的转载，亦不构成任何建议。

前言 /               

近日，中国北京航空航天大学生物力学与力生物学教育部重点实验室、老年残疾康复辅助器具北京市重点实验室、以及首都医科大学中国康复研究中心康复医学院的学者联合发表在《国际分子科学杂志》上的一篇综述，重点讨论了与关节内注射MSC治疗膝骨关节炎相关的几个问题：包括注射MSC与传统疗法的效果比较；不同的剂量MSC注射后的效果；以及提高MSC疗法的个性化康复方案的建议。

虽然这是针对膝关节OA的综述，但小编认为这些建议在其它适应症上同样值得思考。

笔者在（包括 PubMed、EMBASE 和 Cochrane 图书馆）国际上公开的电子数据库中进行文献检索，很好的总结了关节内注射MSC治疗人膝关节OA的研究，并针对提高MSC疗法的效果上，提出了较为中肯的建议。

MSC疗法与其他疗法的比较

几项研究比较了关节内注射MSC和其他疗法的效果，其中有三项研究比较了生理盐水和间充质干细胞的作用。

一项研究发现，骨髓抽吸浓缩物（含有MSC和造血干细胞）和盐水注射组的疼痛缓解效果相似，但注射的细胞主要是造血干细胞（34,400个MSC对4,620,000个造血干细胞）。另外两项采用自体脂肪来源的MSCs或同种异体胎盘来源的MSCs的研究发现，与生理盐水注射组相比，MSCs注射组的临床症状和软骨厚度有明显的改善。

总体而言，MSC注射剂量为0.5-0.6×10⁸和1.0×10⁸细胞表现出比盐水注射更好的效果，而低剂量组（34,400个MSC）则没有明显改善。

透明质酸常用于治疗膝骨关节炎。几项研究比较了透明质酸和间充质干细胞的作用。与单独的MSCs或透明质酸相比，通过MRI 鉴定MSCs 组的功能改善情况发现软骨质量改善更好。一项研究比较了三组，即在基线和6个月时膝关节内注射透明质酸，在基线和6个月时注射脐带来源的MSCs，以及在基线时单独使用脐带来源的MSCs。

结果表明，与透明质酸组相比，两次MSC注射组的疼痛水平显着降低，膝关节功能恢复的更好，膝关节软骨厚度增加的更多，此外，MSCs 组的临床症状改善明显大于HA组。因此，与单独注射透明质酸相比，单独注射MSC可能更好地缓解膝关节OA症状并促进了软骨损伤得到更好的修复。

富血小板血浆 (PRP) 越来越多地用于膝关节OA患者的注射治疗。可以在 PRP 中找到许多合成代谢生长因子（例如 FGF、TGF-β1、TGF-β2 和 EGF）和抗炎细胞因子（例如 IL-1ra、sTNF-R1、sTNFRII、IL-4、IL-10、IL-13、和 IFNγ) 。这些物质在改变膝关节OA的病理过程中发挥着不同的作用。目前尚无研究可用于比较单独使用PRP与单独使用 MSCs 的效果，但有几项研究比较了MSCs + PRP与单独使用PRP对膝关节OA患者的影响。

相比于单独注射MSCs，MSCs+PRP组的疼痛减轻和功能改善更为明显。在另一项研究中，只有MSCs+PRP组的疼痛减轻和功能改善。

皮质类固醇注射液常用于治疗膝骨关节炎患者。一项研究发现，单独使用MSCs和MSCs+PRP组的治疗效果（通过膝关节损伤和骨关节炎结果评分评估的改善）优于皮质类固醇组。

基于这些对照研究的发现，关节内注射MSCs显示出比单独注射透明质酸和单独注射皮质类固醇更好的效果。MSCs+PRP能更好的改善膝关节OA患者疼痛和功能。

MSC注射能诱导软骨再生吗？

目前，MSC注射治疗膝关节OA被认为具有多种机制：包括免疫或炎症调节、以及组织修复或再生作用。MSC是否在体内条件下具有修复和再生关节软骨组织的能力尚不清楚。

关节内注射MSCs是否可以诱导软骨再生是有趣且至关重要的。与自体软骨细胞注射相比，自体滑膜来源的MSC注射可以为患有孤立性外伤性单个全层股骨髁软骨损伤>2cm²的患者带来更好的“填充”作用。这一发现表明局部密集植入MSCs可以修复膝关节软骨。微骨折后经关节镜下注射MSC（加上透明质酸注射）在12个月后，MRI可识别到软骨修复，这表明注射后扩散的MSCs也具有修复软骨缺损的潜力。最近的一项研究发现，自体脂肪来源的MSCs进行关节内注射，剂量为 5–10×10⁶在18个月的随访期间，也可通过MRI识别到软骨修复。

总体而言，局部密集移植MSC和关节内注射后扩散的MSC都可能促进软骨修复或再生。

与胫骨高位截骨术 (HTO)+PRP 相比，MSC注射加HTO+ PRP 可以更好地减轻疼痛并促进纤维软骨再生。比较膝关节内注射不同剂量（1.0×10⁷；5.0×10⁷；10×10⁷细胞）脂肪来源的MSCs的效果表明，通过关节镜检查可以发现高剂量组的透明样关节软骨的再生。

更多的 MSCs 会带来更好的效果吗？

MSCs 及其分泌物可通过多种机制修复受损问题，包括软骨细胞分化、营养作用和免疫调节功能。注射更多的MSCs可能并不会产生更好的效果。

在所有使用同种异体MSCs 的研究中，较低剂量的MSCs，无论是骨髓来源的MSCs 还是脂肪来源的MSCs，在临床症状和/或MRI可识别的软骨修复方面始终有更好的改善。

即使对于自体MSC，较高剂量也不一定会在关节内注射后产生更好的治疗效果。在六项使用自体MSC的研究中，只有两项研究检测到较高剂量组的效果更好。其他研究的结果也不支持高剂量组有更好的效果。一项研究发现所有治疗病例的疼痛和功能均得到改善，但仅在低剂量组观察到统计学显着性；而高剂量组的患者疼痛加重，功能评分下降。

在一项随访期为12个月和随后4年的研究中，高剂量组在注射后12个月时效果更好，但低剂量组在4年时疼痛减轻程度更高。另一项研究发现中剂量组的软骨体积增加，在96周时功能改善和 SF-36 评分达到最高水平。

与自体来源相比，同种异体MSC可以来源于健康供体。然而，来自骨髓或脂肪的同种异体间充质干细胞在注射后可被宿主免疫系统识别。同种异体MSCs的免疫原性低于其他同种异体细胞类型。例如，在对骨髓来源的马同种异体或自体 MSC 进行关节内注射后，第一次注射后未检测到临床表现的差异；相比之下，在第二次注射同种异体MSC的马中发现注射关节的不良反应和滑膜总有核细胞计数升高。

因此，由于使用同种异体MSCs注射后的细胞和体液免疫反应，较低剂量似乎适用于膝关节OA 的关节内注射。

鉴于避免不需要的免疫反应，患者自身来源的MSC或许更安全，但一些可能的缺点阻碍了高剂量的使用。首先，膝关节OA患者通常是老年人，膝关节OA和患者衰老/年龄以外的合并症会影响自体MSCs的质量。例如，一篇分析41项研究的综述强调，MSC的特征和再生潜能通常受心血管疾病的影响。

除了供体年龄可能是极大影响 MSCs 功能的参数外，MSCs 体外细胞扩增过程中的体外细胞老化（细胞传代）可以改变自我更新、分化和旁分泌（自分泌和分泌）的细胞特性。其次，培养微环境中的几个局部元素可能影响MSCs分化。MSCs的体外培养扩增过程也可能遇到感染风险。因此，与低剂量相比，高剂量自体MSCs可能会诱发更严重不良反应。

综上所述，即使是自体间充质干细胞，使用更多的细胞进行膝关节注射也不一定会产生更好的效果。在一项使用同种异体和自体骨髓来源的MSCs治疗心脏病的研究中也发现了类似的结论，该研究发现最低剂量组（20×10⁶；100×10⁶；200×10⁶）的治疗效果最好。基于上述发现，需要研究不同个体的最合适的MSC剂量。

需要在注射后进行康复管理吗？

注射后的康复管理因个体差异而异。在一项应用MSC注射和关节镜微骨折的研究中，研究者为每位患者提供了个性化的术后康复方案。该方案是根据病变发生的位置和大小设计的；例如，髌骨和滑车损伤的患者应在前几周限制膝关节弯曲，而髁突损伤的患者应在前六周内避免负重。

另一项研究介绍了一项康复计划，该计划包括为期4个月的监督下进行渐进式阻力训练，以及特定的水上和陆地锻炼。相反，一些列出的研究没有引入注射后的康复计划。

出于多种考虑，量身定制或个性化的注射后康复方案可以促进症状的恢复和软骨修复。原因有一下几点：

首先，保持透明软骨表面之间非常低的摩擦力是膝关节正常功能的一个基本特征，而膝关节的外伤或累积的微外伤会导致一层或几层透明软骨受损，表面层的完整性受损增加了透明软骨之间的摩擦。更深层的损伤导致软骨变形，这也增加了软骨表面之间的摩擦。

MSC注射可能会在不同程度上修复磨损的软骨。在膝关节运动过程中避免高水平负重，可以防止在修复过程中对表面组织产生有害影响。但在非负重低负荷运动范围内，将有助于在软骨表面形成新再生的胶原纤维的正常排列。软骨表面之间的滑动还可以改善液体向埋藏的软骨组织的输送，从而促进营养物质的供应。因此，需要考虑无负重情况下注射后膝关节的活动范围。

其次，膝关节承受负荷依赖于透明软骨整个厚度的正常形态和粘弹性。膝关节OA 患者的透明软骨受损，注射MSC后无法立即修复此类损伤。特别是局灶性损伤的OA患者的局部修复处理需要很长时间。任何膝关节疼痛的活动，如负重动作，都可能对修复过程产生不利影响。

值得注意的是，步行等常见的负重活动会导致高水平的压力，压力为 1–12 MPa。胶原蛋白浓度在老化过程中保持稳定，但蛋白多糖浓度逐渐下降，这会降低膝关节软骨抵抗负荷的粘弹性，因为软骨中蛋白多糖吸引的水量减少会削弱水在塑化组织中的作用。

第三，由于软骨表面不受滑液影响，透明软骨在关节负荷过程中的溶质吸收受到阻碍，这反过来会影响软骨在长期、重负荷条件下的营养供应。同时，长时间不负重会导致软骨退化，因此也应给予适当压力。动态关节负荷期间的被动扩散、机械“泵送”以及运动期间的滑动运动会引起间质流体压力的变化，从而驱动营养物和氧气的交换。

特别是，软骨上的动态负荷驱动溶质转运和基质蛋白合成并可能因此调节软骨细胞的功能。软骨细胞合成代谢和分解代谢活动可能会被不适当地激活。异常增殖和凋亡导致细胞数量的变化。软骨细胞暴露于各种刺激，包括非生理负荷、破坏基质产生的副产物，以及异常水平的细胞因子和生长因子。因此，所有这些功能在MSC注射后都不能迅速改变，需要适当的康复计划为软骨细胞提供更好的环境来发挥其功能（如自我更新分化、自分泌和旁分泌反应）。

第四，小腿肌肉对保护膝关节有重要作用。髋关节外展肌无力与膝关节OA患者的功能差有关，而髋关节外展肌力量训练可能在保护膝关节功能方面发挥有益作用。四肢肌肉和肌腱还可以提供一种“减震器”机制，减轻膝关节中加载的机械能，适当的力量训练可能会有所帮助。

最后，注射的MSCs会进入缺氧、富含炎症介质且pH 值较低的环境，不利于MSCs 的存活，以及发挥其功能。软骨基质的结构变化影响软骨细胞。软骨基质的成分还与细胞表面受体相互作用，发送调节软骨细胞功能的信号。几种信号通路激活各种转录因子，这些转录因子易位到软骨细胞核并调节许多炎症介质和基质降解酶的表达。因此，由于软骨基质-软骨细胞相互作用及其对各种原因的易感性，应仔细考虑和选择影响局部环境的体育活动和其他因素。

例如，热量限制不仅可以降低体重以减少关节负荷，还可以诱导适当的自噬以恢复干细胞的再生能力。在注射后方案中引入超声波、短波透热疗法、经皮神经电刺激和干扰电流对膝骨关节炎患者有益。它们在调节MSCs中的作用尚不清楚，但它们对减轻疼痛和改善症状的作用表明它们有可能改变膝关节的局部病理状态。

总体而言，可以考虑在MSC注射后的早期阶段对受影响的膝关节进行非负重或最小负重的康复训练。还可以向患者指导量身定制的方案，包括负重策略、运动范围、力量练习和其他疗法。

结语

膝关节OA患者关节内注射MSC可以改善功能并减轻疼痛。用不同来源的间充质干细胞治疗对组织再生有积极影响。需要进一步的临床和体外研究，以更好地阐明MSC单独或与PRP及手术治疗联合作用的分子和生化机制。

膝关节OA的病理状态影响MSC注射的效果。年轻患者和早期软骨退化的膝关节OA患者在接受关节内注射 MSCs 后，更有可能获得良好的结果。

对于同源间充质干细胞，关节腔内小剂量同种异体间充质干细胞注射总比大剂量改善效果好，自体间充质干细胞大剂量注射未必比小剂量治疗效果好。这些结果表明，需要根据MSC来源以确定适用于膝关节 OA 患者关节内注射的MSC剂量。

与纤维软骨相比，健康的透明软骨在关节运动过程中具有超低的摩擦力，对实现正常的膝关节功能起着基础作用。MSC注射后，通过关节镜可以观察到再生的透明样软骨或纤维软骨，而透明软骨再生所需的条件尚不清楚。与更严重的患者相比，早期膝关节OA患者和没有大局灶性病变的患者更有可能对关节内MSC注射产生良好的效果。

此外，MSC注射液与透明质酸或PRP等其他药物联合使用，比单独注射MSC具有更好的治疗效果，揭示了MSC连同其它药物的“鸡尾酒疗法”在膝关节OA患者中的可能价值；可以进一步研究应用药物的类型和注射时间。个性化的注射后康复计划，包括关节负荷方案、肌肉/肌腱功能和治疗方式，也可能改变受影响膝关节的病理状态，为MSC发挥治疗作用更好的赋能。

主编叨叨

以往多数细胞机构将间充质干细胞的制备经验与临床应用经验混为一谈了，细胞行业真实情况是细胞制备与临床应用之间的衔接是断开的。这篇综述提出的观点虽然只是针对膝关节OA方面，但小编认为同样适用于各类适应症：即如何将细胞生产与细胞应用无缝衔接，促进MSC的临床转化，为MSC的应用（以解决问题为导向）赋能，以解决更多疾病困扰，是必须思考的。

References

[1] Intra-Articular Mesenchymal Stem Cell Injection for Knee Osteoarthritis: Mechanisms and Clinical Evidence.nt. J. Mol. Sci. 2023, 24(1), 59; https://doi.org/10.3390/ijms24010059

作者：古古古

审校：南风 | 咏彤

声明：本文仅作为科普，拒不接受商业用途的转载申请，亦不构成任何建议。

登陆知识星球，获取独家资讯

其他好文

点击“阅读原文”或扫描上方二维码，登陆知识星球