骨髓间充质干细胞移植应用于骨科的研究进展
2018-1-20 来源：不详 浏览次数：次本文原载于《中华骨科杂志》年第2期
骨髓间充质干细胞（bonemarrowmesenchymalstemcells，BMSCs）具有很强的自我更新能力和多向分化潜能，而且其来源较为方便，不受到伦理学问题的困扰，易于分离、培养、扩增和纯化，因此是临床疾病治疗的理想种子细胞，亦是精准化个体干细胞治疗的首选细胞。采用BMSCs进行细胞治疗已经在多个领域取得丰硕的成果，其具有低免疫原性和免疫调节功能，因此在肾移植[1]、白血病造血干细胞移植中被用于预防和治疗移植物抗宿主病[2]、克罗恩病[3]的治疗；BMSCs在体内或体外特定的诱导条件下，可分化为肌细胞、肝细胞、成骨细胞、脂肪细胞、软骨细胞、基质细胞等多种组织细胞[4,5]，因而被广泛应用于各种组织器官损伤修复，包括心肌损伤缺血[6,7,8]、急性呼吸窘迫综合症[9,10]、肝硬化[11,12,13]、糖尿病[14,15]、神经系统损伤及退行性疾病[16,17,18]、骨科疾病[19]等。
BMSCs应用于骨科疾病治疗的研究已经有相当长的时间，研究方向主要包括BMSCs复合材料进行骨缺损修复。此外，BMSCs局部注射还应用于治疗骨关节炎、股骨头坏死、退行性椎间盘退变、脊髓损伤和膝内翻，静脉滴注可以治疗成骨发育不全和低磷酸酯酶症等全身骨骼疾病。随着细胞治疗技术研究的深入和手术技术的不断发展，BMSCs移植治疗骨科疾病的安全性和有效性已得到初步验证，治疗的适应症也有所增加，但治疗效果还是有一定的差异性。总结BMSCs移植在骨科疾病治疗研究结果有利于临床工作人员选择合适的细胞治疗方法，提高疾病治愈效果。
本文以"骨髓间充质干细胞"、"Bonemarrowderivedmesenchymalstemcells"、"细胞治疗"、"Celltherapy"、"骨科疾病"、"Orthopaedicsdisease"等作为检索关键词在Pubmed、Embase、webofScience、CNKI数据库进行检索，限定检索结果为针对人类的研究。文献纳入标准：①纳入文献类型为期刊论文、学位论文、中外专利、综述；②文章研究内容与BMSCs治疗在骨科疾病治疗中的应用密切相关；③同一领域选择近发表或在权威杂志上发表的文章。排除标准：①非英语的外文文献；②内容重复的文献；③无法获得全文的文献。最终61篇文献被纳入本研究，其中基础研究相关文献3篇，临床研究文献47篇，综述及其他文献12篇；中文文献5篇，英文文献56篇（图1）。对最终筛选出的文献按照骨科退行性疾病研究和骨科遗传性疾病研究进行分类。本文旨在归纳近些年关于BMSCs移植在骨科疾病治疗领域的最新研究进展，总结先进的治疗方案，为今后的相关研究指明方向。
图1
文献选择流程图，最终纳入文献61篇，包括5篇中文文献和56篇英文文献
一、BMSCs移植治疗骨科退行性疾病
（一）骨关节炎
骨关节炎（osteoarthritis，OA）多发生于中老年人，是导致老年人关节疼痛和活动能力丧失的主要原因，严重影响患者的生活质量并造成巨大的社会和经济负担[20]。目前，OA的治疗方法仍十分有限，主要包括对症缓解疼痛及疾病晚期行关节置换手术，暂时无治愈或阻止其进展的有效手段[21]，急需可以改善其进展和预后的新的治疗靶点和方法。BMSCs可以向软骨细胞分化，因此学者对BMSCs移植治疗OA进行了一系列的临床研究（图2）。
图2
骨髓间充质干细胞增殖分化模式图，骨髓间充质干细胞在体内外特定环境下分化为不同类型的细胞：神经细胞、上皮细胞（外胚层），脂肪细胞、软骨细胞、成骨细胞、结缔组织细胞（中胚层），肠上皮细胞、肌细胞、肺细胞（内胚层）
Centeno等[22]进行了关于自体BMSCs移植治疗OA的研究，抽取1例双侧膝关节炎患者的椎体和髂骨骨髓，分离培养获取自体BMSCs；分3次，每次间隔1周，注射2.24×个细胞至关节腔内，6个月后功能评价指数（functionalratingindex，FRI）由21降至9，视觉模拟量表（visualanalogscale，VAS）疼痛评分由4分降为0.38分，MRI定量分析结果显示关节软骨和半月板体积明显增加。Davatchi等[23]将体外培养的自体BMSCs通过关节腔注射治疗4例严重膝关节炎患者单侧膝关节，发现治疗侧膝关节的疼痛明显减轻，VAS评分降低，关节摩擦音明显改善，关节活动度提高。Orozco等[24]将4×个体外培养的自体BMSCs注射到12例膝关节炎患者的关节腔内，1年后所有患者的膝关节相关功能指数都得到改善，MR检查T2WI的横向弛豫时间图定量显示损伤关节软骨面积降低27%，并且其中11例膝关节软骨质量均提高。Vega等[25]是在细胞移植治疗膝关节炎中唯一使用异体BMSCs的团队，其将30例随机分为异体BMSCs注射治疗和透明质酸注射对照组两组，1年后BMSCs注射组的膝关节功能指数得到显著改善，伴随膝关节软骨质量的提高，治疗组的损伤软骨区域面积显著降低。
BMSCs移植治疗骨关节炎的安全性已得到验证，无副作用、不会引起其他并发症发生；所有报道也证明其可行有效，治疗效果理想。但治疗时的细胞浓度和剂量没有统一的标准，还需要多中心大规模临床Ⅱ期和Ⅲ期试验的考证。
（二）骨股头坏死
股骨头坏死（osteonecrosisoffemoralhead，ONFH）是骨科常见的一种退行性疾病，是由多种病因造成的股骨头缺血和骨细胞坏死的病理过程，临床多见的是激素性、创伤性及酒精性。ONFH病程长，临床早期以髋关节疼痛、功能障碍为主要表现，晚期可累及整个髋关节，股骨头塌陷并继发骨性关节炎，导致畸形及功能障碍，严重影响患者的生活质量。目前所有对于ONFH的治疗都围绕保髋进行，从而延迟或避免人工髋关节置换。保髋的手术的方法很多，如髓芯减压[26,27,28]、带血管蒂的腓骨移植[28]、血管束植入、表面置换[29,30,31]等,均取得一定疗效，但没有一种技术是完全满意的。随着股骨头坏死发生机制的不断深入[32,33,34]，发现股骨头内部BMSCs数量减少，增殖活性减低，成骨能力下降等。因此，有学者研究应用BMSCs注射治疗ONFH的安全性及有效性。
Chang等[35]对8例双侧股骨头早期坏死行自体BMSCs移植治疗的研究，研究人员对一侧股骨头进行核心减压，而对侧核心减压同时进行自体BMSCs注射，发现细胞移植组的Harris髋关节评分（Harrishipscore，HHS）和VAS评分显著提高，MRI定量分析结果显示坏死面积显著减小。Zhao等[36]关于例自体BMSCs移植和单纯中心减压治疗股骨头坏死早期患者的对比研究，随访5年发现BMSCs移植后无并发症发生，而且可避免或降低股骨头塌陷，从而避免患者进行髋关节置换。Zhao等[37]还对24例股骨头坏死晚期患者进行血管化钽棒和自体BMSCs移植并随访5年，发现HHS评分提高，此干预有效的延迟或避免髋关节完全置换。Rastogi等[38]将40例股骨头坏死患者（60侧，坏死程度分3级）随机分为两组，一组行骨髓移植，另一组行单个核细胞移植，随访2年发现两组的HHS评分均升高，单个核细胞移植组的坏死面积显著降低，骨髓移植组中3例进行髋关节置换；股骨头坏死早期患者治疗效果明显优于中期和晚期患者。Daltro等[39]采用自体BMSCs移植治疗89例镰刀形红细胞合并股骨头早期坏死患者，随访5年发现BMSCs移植组的疼痛显著减轻，病程发展变慢。这些研究均显示，BMSCs移植治疗股骨头坏死最好应用在疾病的早期，如果股骨头的外形发生改变或塌陷则不能应用细胞移植进行治疗。
（三）退行性椎间盘退变
退行性椎间盘退变（degenerativeintervertebraldiscdegeneration，DDD）是最常见的下腰痛的原因，其为由多因素参与的慢性过程，严重影响患者生活质量及工作能力[40,41]。椎间盘退变性疾病常影响髓核，并以细胞活力和数量减少，蛋白多糖合成减少，髓核脱水以及代谢废物增多为特征[42]。目前的治疗方案包括：理疗、止痛药物治疗、硬膜外类固醇药物注射治疗、椎间盘射频消融、髓核成形、椎间融合及人工椎间盘置换[43]。尽管这些治疗方法取得了不错的短期疗效，但长期疗效仍受高概率复发性疼痛的影响[44]。
Orozco等[45]将体外培养的自体BMSCs注射到10例椎间盘退变并伴有慢性后背痛的患者髓核区域，随访1年，1例无效，9例腰腿疼痛迅速缓解，VAS疼痛评分、Oswestry指数均明显改善，并与时间呈正相关性，且改善主要发生在治疗后3个月。Meta分析发现，若以1分表示疗效最佳，则自体BMSCs移植缓解疼痛和改善行为能力评分为0.71分，且显著优于单纯融合手术（0.30~0.53分）或椎间盘置换术（0.53分），MR检查T2WI弛豫定量分析示尽管椎间盘质量和高度虽没有恢复，但椎间盘的含水量显著增高，且未见明显不良反应。
Pettine等[46,47]对26例椎间盘退变患者进行自体BMSCs注射入退变椎间盘髓核区域的治疗研究，发现其ODI和VAS疼痛评分分别为56.5和80.1分。将1ml含多个CFU-F的BMSCs注射入退变椎间盘髓核区域进行干预，并进行2年随访观察。1年后ODI和VAS评分分别降至25.0和33.2分，明显优于干预前；2年后，BMSCs移植组只有5例进行手术治疗，余21例ODI和VAS评分分别降至18.3和22.9分，患者获得了长期的疼痛减轻71%和功能障碍降低64%。
上述研究说明单纯BMSCs注射治疗DDD，可以改善患者的症状和生活。但目前其研究文献数和病例数都较少，且无长期随访结果；注射BMSCs从髓核泄露可能引起椎体峡部骨赘形成，而且椎间盘高度没有改善、修复速度缓慢。因此还需要进一步的临床试验验证。
（四）脊髓损伤
脊髓损伤（Spinalcordinjury，SCI）是脊柱损伤最严重的并发症，往往导致损伤节段以下肢体严重的功能障碍，如感觉、运动障碍，反射异常以及大小便失禁等，其年发病率为百万分之15~40，年龄多为10~40岁，大多为脊柱创伤引发[48]。SCI患者生活不能自理，可产生许多合并症如褥疮、泌尿系统感染、骨质疏松、下肢静脉血栓等等。上述严重后果都会造成病人极大的心理创伤给患者的生活带来严重的伤害。BMSCs对SCI进行治疗已在体外、动物和临床等不同层面进行了一系列尝试，取得了一定的成果[49]。
Saito等[50]对5例因颈椎脊髓损伤导致的四肢瘫痪的男性患者，取自体骨髓进行分离培养后，将3~5×BMSCs行L3，4腰椎间隙穿刺单次注射入脑脊液，1~4年后均无不良反应和并发症，证明其安全性；美国脊髓损伤协会损伤量表（Americanspinalinjuryassociationimpairmentscale,AIS）等级为B、C级者，BMSCs移植后AIS和美国脊髓损伤协会运动评分都有显著而快速的改善，但对于AIS评分在A级的3例的效果不佳。Park等[51]注射自体BMSCs治疗10例颈椎受伤造成的脊髓损伤患者（AIS等级为A、B级），先同时在脊髓和硬脑膜内间隙分别直接注射8×个和4×个细胞，又分别于注射后的4周和8周时在腰椎弓处补充注射5×个细胞,结果发现BMSCs移植后没有永久性并发症，10例电生理学检测结果均改善；6个月后，6例上肢电刺激功率等级得到改善，3例日常生活能力逐步提高，MR检查T2WI定量分析发现损伤区大小和纤维样低信号强度条纹的出现都减少。
Karamouzian等[52]对自体BMSCs移植治疗脊髓损伤进行了非随机对照研究，分为常规治疗组20例和BMSCs移植组11例（BMSCs行腰椎穿刺注射到脑脊液中），随访12~33个月发现31例无一例有副作用和并发症的发生，常规治疗组和细胞移植组分别有3例和5例获得显著的神经功能恢复，但两组治疗效果无统计学差异。Dai等[53]进行了40例BMSCs移植治疗颈椎损伤造成的慢性完全脊髓损伤患者的随机对照研究，治疗组10例临床症状包括电刺激、轻触觉、针刺感觉和残余尿量都明显改善，且其中有9例AIS等级得到降低，神经电生理检测结果和临床症状改善结果一致；对照组中则无一例显著改善。Mendon?a等[54]将体外培养的自体BMSCs注射入14例胸椎或腰椎损伤导致的慢性完全SCI患者（AIS等级A级）的损伤部位，所有患者触觉敏感度都有不同程度的提升，8例获得以髋部屈肌为主的部分下肢运动功能；7例骶部感觉恢复，AIS等级变为B、C级；9例泌尿功能改善。细胞移植后3个月和6个月的躯体感觉诱发电位（somatosensoryevokedpotential，SSEP）数据、神经功能的恢复与脊髓损伤等级及面积之间具有显著的统计学相关性。
BMSCs移植治疗SCI基本可改善临床症状，BMSCs的注射靶点有两处，即脑脊液和损伤部位。综合所有研究结果发现SCI处于亚急性期、AIS等级为B级或C级者采用BMSCs注射治疗的效果较好。
（五）膝关节内翻
Wong等[55]于年关于56例无膝关节炎的膝关节内翻合并关节软骨损伤患者进行的单纯胫骨高位截骨手术组和手术合并膝关节腔注射自体BMSCs组的随机对照试验研究，2年随访发现：手术合并BMSCs移植组的患者的膝关节Tegner、Lysholm、IKDC和MOCART评分显著高于单纯手术组，说明关节腔注射BMSCs可以有效提高膝关节内翻病人胫骨高位截骨手术的治疗效果，但其中机理并不清楚。
二、BMSCs移植治疗骨科遗传性疾病
（一）成骨发育不全
Horwitz等[56]使用同种异体骨髓细胞治疗3例成骨发育不全（osteogenesisimperfecta，OI）的患儿，植入骨髓细胞6个月后取5mm髂骨组织活检发现有新骨形成，3例全身骨矿物质含量较治疗前明显增加，同时也降低了骨折发生频率。该研究还证明移植骨髓中所含有的间充质干细胞可以迁徙至患者骨骼成骨。他们认为供体骨髓可以引导功能性BMSCs植入受体骨骼部位促进新骨形成，提示BMSCs治疗成骨不全的可行性。Horwitz等[57]为进一步研究BMSCs治疗成骨不全的可行性和深入了解移植后细胞的转归，他们使用带基因标记的供者BMSCs治疗6例严重成骨不全患者，移植6个月后在5例的多个部位包括骨、皮肤和骨髓等检测到明显的供体BMSCs存活，同时发现该5例生长速度显著提高，并且达同年龄同性别正常儿童的60%~94%（平均70%）。
综上所述，骨髓移植合并BMSCs移植可以显著改善OI患者的临床症状，提高他们的生活质量，是治疗OI的一种安全有效的方法。
（二）低磷酸酯酶症
Whyte等[58]报告使用骨髓移植和BMSCs注射治疗1例幼儿重低磷酸酯酶症（hypophosphatasia，HP），患者8个月时接受骨髓移植，骨髓来源于其姐姐（HLA抗原配型达4/6），3个月后临床症状减轻，骨骼矿化作用明显提高；6个月后体内嵌合体丢失。在其21个月大时再次接受了BMSCs移植，临床症状减轻和骨质矿化显著提升，但患者的低磷酸酯酶的生物化学特性并没有明显改善。Cahill等[59]报告通过骨髓移植、骨髓间充质干细胞灌注和骨片移植成功地治疗1例患有低磷酸酯酶症的患儿，8个月大时进行骨髓移植，供体骨髓来源于患者的父亲（HLA抗原配型达4/6），骨髓移植16d后将供者含有少量BMSCs的骨片植入患者腹膜内和皮下，在28d后接受BMSCs静脉注射移植，发现患者体内有供者BMSCs的存活，提示嵌合体的存在，患者临床症状显著改善。Tadokoro等[60]使用BMSCs治疗1例8个月的低磷酸酯酶症患儿，骨髓来源于其父亲（HLA抗原配型达3/6），15d后4.5×BMSCs经静脉输注，并将复合BMSCs的羟基磷灰石生物陶瓷植入双侧胫骨孔内及皮下；7个月后再次注入大量的BMSCs，临床症状显著改善，全身骨骼发育、骨密度明显提高，骨骼塑形接近常态。Taketani等[61]关于同种异体骨髓移植、多次BMSCs移植治疗2例重症致死性低磷酸酯酶症的研究，骨髓移植2周后，将BMSCs按1×~2×个细胞/kg静脉注射，2例分别接受4次和9次BMSCs注射。随访3年发现2例的骨骼发育状态均得到显著改善，但骨骼结构和速度依然都异于正常儿童。同种异体BMSCs移植的治疗方法显著改善患者的身高、体重和四肢长度，提高患者的运动能力评分，延长存活时间。
目前，尚无可以治愈OI和HP等骨科遗传性疾病的方法，临床大多都是针对症状进行治疗。遗传性疾病的发病率低，临床表现差异大，使临床试验较难开展。现有的研究显示骨髓移植或合并BMSCs移植治疗OI和HP明显地改善患儿的症状。骨髓细胞中主要包括造血干细胞（hematopoieticstemcells,HSCs）和BMSCs，HSCs和BMSCs互相作用，为对方的存活、增殖、归巢提供微环境支持。后续补充的BMSCs可以分化为功能性的成骨细胞，改善骨代谢异常；BMSCs还具有免疫调节功能，能有效地防止移植后GVHD的发生。
在骨科领域，BMSCs主要用于治疗先天遗传性疾病如成骨发育不全、低磷酸酯酶症，退行性疾病如骨关节炎、股骨头坏死、椎间盘退变、脊髓损伤和膝关节内翻。BMSCs的骨科相关总文章数为26篇，总计例患者，不同类型疾病所发表的文章数和病例数差异很大（图3）。膝关节炎治疗发表文章6篇，是发表文章最多的疾病类型，股骨头坏死和脊髓损伤治疗均有5篇文章，低磷酸酯酶症治疗发表文章4篇，退行性椎间盘退变治疗3篇。股骨头坏死和膝关节炎的病例数最多的分别为例和例，脊髓损伤例，成骨发育不全和低磷酸酯酶症的病例数分别为9例和5例。疾病类型直接影响并决定了BMSCs注射治疗的适应症、注射方式、有效浓度、疾病时间窗选择和治疗周期（表1）。
表1
BMSCs移植治疗骨科相关疾病一览表
图3
BMSCs移植治疗骨科疾病发表文章数和募集病例数，BMSCS移植目前用于临床治疗骨科疾病包括以下7种：成骨发育不全、低磷酸酯酶症、股骨头坏死、骨关节炎、膝关节内翻、退行性椎间盘疾病和脊髓损伤
BMSCs临床应用按照来源分为自体BMSCs和异体BMSCs移植：在骨科疾病治疗中90%以上都是使用自体细胞进行治疗。自体细胞治疗取材过程中会造成二次损伤，但由于其不存在伦理问题和免疫排斥问题，应用最为广泛。有些疾病类型比如遗传性代谢性疾病并不适用自体细胞治疗，但是异体BMSCs临床应用研究数量和病例数相对较少，其临床应用的安全性和有效性还需要更多临床试验验证。目前，BMSCs移植治疗骨科疾病类型只限于骨关节炎、股骨头坏死、退行性椎间盘退变、脊髓损伤、膝内翻、成骨发育不全和低磷酸酯酶症（图3）。
骨髓间充质干细胞在骨科领域的应用成果令人鼓舞,但同时也面临着许多问题:①不同个体、不同疾病状态和不同部位的骨髓间充质干细胞数量和质量具有异质性；②大多数研究机构都应用差速贴壁法分离培养BMSCs，细胞的纯度和干性不能保证；③疾病种类复杂多样，如何制定合理可行的个体化治疗方案，包括制定BMSCs注射的方式、剂量、次数、时间窗等；④如何保证BMSCs注射后的生物安全性，调控BMSCs在体内的增殖与分化。随着骨髓间充质干细胞研究的进一步深入，相信在不久的将来，这些问题一定会迎刃而解，为BMSCs更好地应用于骨科开创一个崭新的时代。
“参考文献略”赞赏
