中国第一个进入III期临床的膝骨关节炎干细胞药物，有望改写1.3亿人的"命运"

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前言 /               

关节损伤多数人都会碰上，要解决这个问题，还得从头谈起。骨关节炎是一种常见的慢性退行性关节疾病，全球范围近2.2亿人罹患关节炎病痛。

骨关节炎是一种关节软骨的退行性损伤，主要包括关节软骨的破坏、软骨下骨硬化和滑膜增生。引起因素有很多，如衰老、肥胖、疲劳损伤、创伤、关节先天畸形、关节畸形等。

骨关节炎主要发生在中年以后，40-70岁人群中，女性的发病率高于男性，70岁以后，两性发病率持平。骨关节炎的临床表现为关节疼痛、关节僵硬，严重者会表现为关节功能丧失，到2021年骨关节炎将成为第四大致残性疾病。

由于骨关节表面的透明软骨组织没有神经和血管，因此，软骨的自我修复和再生能力较差，一旦受损，很难自行恢复。目前，骨关节炎的临床治疗方法主要有非药物疗法，如有针对性的锻炼、热疗法、冷疗、鞋垫、针灸等；药物疗法和手术治疗，但这些只能缓解疼痛，在一定程度上改善症状、延缓病情、矫正畸形，并不能彻底的延缓病情发展。自体软骨细胞移植已经成功运用到修复软骨，但是通过体外培养的软骨细胞表现出分化，降低了软骨细胞特异性基因的表达，从而影响治疗效果。

近年来，基于干细胞治疗骨关节炎的新型疗法越来越受到关注。间充质干细胞具有自我更新和定向分化潜能，可修复软骨组织，抑制软骨细胞分泌炎症因子和归位特性，是逐步治疗骨关节炎非常具有潜力的细胞。

间充质干细胞作用机理

间充质干细胞存在于各种组织中，如骨髓、脐带、胎盘、肌腱、牙周组织、脂肪组织。2006年，国际细胞治疗学会（ISCT）用三个标准定义了间充质干细胞：

• 可贴附在塑料表面生长；

• 表达CD105，CD73和CD90，以及缺乏CD45，CD34，CD14或CD11b，CD79a或CD19和HLA-DR表面分子；

• 经体外诱导，间充质干细胞能向成骨细胞、脂肪细胞及软骨细胞分化。

除具有分化潜能外，间充质干细胞还表达分泌多种酶并分泌多种参与旁分泌活动的营养因子，包括生长因子，细胞因子和趋化因子，这些因子通过激活细胞和血管生成途径来滋养软骨。

间充质干细胞还参与了局部免疫调节机制，可以抑制T细胞的增殖、树突细胞成熟及B细胞的活化增殖和抗体分泌，从而影响巨噬细胞的极化以及抗体分泌细胞的分化，从基本上消除了排异反应和疾病的传播。其中，影响巨噬细胞的极化是受到INF-γ和IL-1β的刺激，将巨噬细胞从促炎性（M1）转化为消炎性（M2）；而且，间充质干细胞还可以与巨噬细胞互相作用，抑制巨噬细胞的活化以及IL-1β，TGF-α和其他炎性因子的分泌。

当然，间充质干细胞的调节功能可能会因个体、物种、组织来源、培养条件和激活状态而异。间充质干细胞的归巢作用可以在体内微环境的作用下迁移到软骨缺血或受损部位。除此之外，间充质干细胞还可以通过分泌生长因子、细胞因子和细胞外基质对受损组织进行修复和重建。据研究显示，间充质干细胞分泌的细胞因子可以靶向滑膜和软骨细胞，他们可以调节合成代谢因子和分解代谢因子，以及诱导抗炎和软骨形成分子的表达。

随着研究的深入，最近大多数研究表明，间充质干细胞主要通过旁分泌机制来调节局部炎症、细胞的凋亡和增殖，而非直接分化成软骨细胞来参与组织修复。研究人员指出，内源性间充质干细胞通过细胞修复的资源储备库以及免疫调节的前哨来维护组织的健康，在激活修复反应中，间充质干细胞的旁分泌信号的传导要比分化更重要。这就意味着，间充质干细胞并非用于替换受损的软骨，而是协调增强修复应答。

MSC在骨关节损伤中的修复机制

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来源：2020Wang, Ai-Tong, et al. "Application of mesenchymal stem cell therapy for the treatment of osteoarthritis of the knee: A concise review." World journal of stem cells 11.4 (2019): 222.

临床研究

1. 局部关节内间充质干细胞注射以及混合注射

混合注射是指将生长因子、细胞因子和支架混合间充质干细胞混合注入以提高疗效。常用的支架有血凝素、纤维蛋白凝胶等聚合物，以及高浓度血小板血浆（PRP）等富营养体液。其中，在关节腔内注射间充质干细胞（MSCs）/PRP混合液的临床研究较多。PRP是一种自体组织，富含软骨源性生长因子（如TGF-β和血小板源性生长因子），可以作为治疗受损软骨的组织来源。PRP复合支架具有较高的成骨诱导活性，能够促进骨愈合。PRP与由脂肪间充质干细胞及脂肪组织血管基质混合组成的MSCs结合，可以创建合适的微环境，来促进血液的供应，减少局部炎症反应，促进软骨机制的合成，提高间充质干细胞治疗膝关节炎的疗效。目前，PRP存在的问题仍然在于其制备方法及表达生物活性因子的数量的可变性，RPR分泌的一些生长因子（如血管内皮生长因子）可能对关节和间充质干细胞均有不良影响。

随着干细胞技术在动物和体外实验中成功应用的证据越来越多，应用干细胞的移植技术治疗骨关节炎也展现出使软骨再生的潜力。迄今为止，已经有近80项相关临床研究在Clinicaltrail.gov上注册，其中一些已经完成临床试验以及对安全性和有效性的初步评估。根据已有的研究成果，间充质干细胞（来自于骨髓、脂肪和脐带）疗法在治疗骨关节炎中显示出非常好的疗效，并且在将来有代替传统疗法的可能。

2. 骨髓间充质干细胞

骨髓间充质干细胞是最早用于治疗骨关节炎和最常见的有效来源，在临床修复膝关节软骨中获得了可喜的成果。2008年，有研究报道一例应用骨髓间充质干细胞治疗严重膝关节骨关节炎。注射时，骨髓间充质干细胞配合10%的血小板裂解液和10ng地塞米松以刺激软骨。注射6个月后，MRI显示出关节软骨和半月板显著增长，疼痛明显降低。即使在不适用辅助镇痛药、抗炎药或免疫抑制剂的情况下，单次注射骨髓间充质干细胞到关节腔内，也取得了积极的成果。研究表明，骨髓间充质干细胞移植比自体软骨细胞治疗更有效，并且并发症相对较少。尽管骨髓间充质干细胞的安全性也有效性已经得到了广泛的证实，但在实际的临床应用中很难获取足够量的初代干细胞，这很大程度上受捐赠者年龄的影响，干细胞会有不同程度的创伤和分化。

3. 脂肪间充质干细胞

脂肪间充质干细胞也是用于治疗骨关节炎的有效来源之一。通常通过吸脂或者髌下脂肪垫提取获得，脂质体通过离心分离并加入胶原酶I溶解来制备浓缩间充质干细胞。据报道，关节内注射1.0x10⁸脂质间充质干细胞可以显著改善膝关节疼痛和功能，且无不良事件。使用中剂量（5.0x10⁷）的患者体现出临床指标的改善，而注射低剂量组（1.0x10⁷）的大多数患者并没有体现出临床指标的改善。这些结果表明，关节内注射间充质干细胞疗效与剂量明显相关，还需要进一步临床试验来证明高剂量注射的长期安全性和临床优势。与骨髓干细胞相比，脂肪间充质干细胞生成软骨的潜能较低，生成软骨特异基质蛋白的能力和I型胶原基因的表达能力也相对较低。因此，脂肪间充质干细胞的软骨再生潜能的激发还需进一步优化和提升。

间充质干细胞移植的问题

虽然有很多相关证据证明了间充质干细胞治疗骨关节炎的能力，但是存在的问题也不容忽视。

• 注射后成活的干细胞数量极低，无法预测持久的改善和细胞间的相互作用，以及是否可以维持足够的细胞储存以达到希望的疗效；

• 供体的适应性可能是另一个重要挑战，已有发现从旧的或不健康的供体中分离出的间充质干细胞性能和增殖能力下降；

• 移植前，间充质干细胞离体扩增时间长有可能导致诱导衰老，丧失增值能力和降低分化能力（特别是超过10-20倍的种群倍增）；

• 由于遗传程序将软骨诱导后的钙化作为正常软骨内成骨过程的一部分，因此如果将分化的间充质干细胞维持在软骨表型并组织其钙化向成骨表型扩展也是一个需要解决的问题；

• 间充质干细胞对一些“环境响应”因素敏感，并响应微环境中微量未知物质而进行特定的修饰行为。虽然这种反应在再生医学中经常被利用，但是在患病的关节环境中会对间充质干细胞反应产生负面影响。有报道表明，人类脂肪间充质细胞在与肿瘤坏死因子（TNF）反应后，会转化为促炎性分泌组，增强炎症反应。

外泌体与骨关节炎的关系

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来源：Mianehsaz, Elaheh, et al. "Mesenchymal stem cell-derived exosomes: a new therapeutic approach to osteoarthritis?." Stem cell research & therapy 10.1 (2019): 340.

间充质干细胞外泌体

因为上述干细胞移植的一些问题，间充质干细胞外泌体的发现有希望规避这些风险。

正如前文提到，越来越多的研究表明注射间充质干细胞治疗骨关节炎真正发挥作用的是干细胞的旁分泌系统分泌的生物分子，调节患处微环境，激活原有干细胞修复受损组织。干细胞外泌体也越来越被人们关注。外泌体是从间充质干细胞培养基中分离出来的一种可溶性生物介质。外泌体是在病理和生理条件下产生的，他们是细胞间通讯的主要介质，通过将mRNA、脂质、siRNA、蛋白质、miRNA和核糖体RNA转移到相邻或远端细胞实现通讯。研究已经发现，间充质干细胞外泌体可以通过增加软骨细胞标志物（如II型胶原蛋白和聚集蛋白聚糖），减少炎症标志物（iNOS），保护软骨细胞免于凋亡，阻断巨噬细胞被激活。间充质干细胞外泌体可以通过刺激软骨细胞迁移和增殖来减弱骨关节炎。

注射间充质干细胞外泌体跟注射完整的干细胞在生物学效应上有许多相似之处，并且相较注射完整间充质干细胞有显著优势，如体积小，免疫原性低，消除了直接细胞注射的程序问题。外泌体被认为是一种强大的细胞间信使，不仅可以介导病理过程，还可以维持组织内稳态，并在多种治疗方法中调节生理功能。尽管已有多项研究利用干细胞来源的外泌体治疗关节损伤和骨关节炎，但目前仍缺乏确凿证据。作为一种无细胞治疗骨关节炎和关节损伤的新疗法，还需要进行大量的临床试验来证实其有效性。

骨关节炎虽然很常见，但是严重影响着人们的生活。传统的治疗方法很难在根本上解决病痛，还会造成一系列副作用，对患者造成重大伤害。随着间充质干细胞及干细胞外泌体的深入研究，基于间充质干细胞的新型疗法在治疗骨关节炎方面逐渐呈现出优势。

后记

关节腔内注射间充质干细胞可以降低疼痛，改善功能和显著增加软骨体积。当然，这个新型疗法还需要大量的临床试验来获得更高水平的证据以及全面规范和优化治疗。

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作者：摩西

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。

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