骨髓间充质干细胞用于股骨头坏死治疗的研究进展

黄 峰，毛瑞君，丛永健

股骨头坏死是由多种因素引起的股骨头血液供应破坏或骨细胞变性导致以骨小梁和骨髓坏死为特征的临床常见病，一般认为其发病机制与脂肪栓塞、血管内凝血、髓内高压和骨细胞脂肪性坏死有关。近年来，随着对骨髓间充质干细胞（bone marrow mesenchymal stem cells，MSCs）成骨作用认识的深入了解，为股骨头坏死的治疗提供了一种新的选择。本文就MSCs用于治疗股骨头坏死的研究和应用概述如下。

1 股骨头坏死的病因病机

1.1 病因 关于股骨头坏死的病因有众多学说，主要包括：创伤学说、脂类代谢紊乱学说、血管内凝血学说、骨内压增高学说、二次碰撞学说等。

使用激素是股骨头坏死最常见的原因之一，但应用多大剂量、持续多长时间能构成骨坏死的威胁尚存在争议，且与个人体质密切相关。长期大剂量服用激素可导致基因突变使血液处于高凝低纤溶状态，高凝低纤溶介导股骨头静脉内血栓形成，导致骨内静脉压增高、淤滞、引起动脉血流受损，造成骨细胞缺血、缺氧、坏死，使骨组织结构和功能破坏,最终引起股骨头缺血坏死[1]。Parsons等[2]报道接受大剂量激素治疗的患者中只有5%~10%发展为股骨头缺血坏死，可见并不是所有使用大剂量激素的患者都会发生股骨头缺血坏死，其原因可能是个体对激素的敏感性不同。

酒精是导致股骨头坏死的另一个重要原因。Hirota等[3]对比了118例非激素性骨坏死患者和236名健康对照者，发现偶尔饮酒者（饮酒量<8m l/周）和规律饮酒者中（饮酒量≥8m l/d）骨坏死发生的风险显著高于对照组；同时也发现酒精与骨坏死具有显著的剂量效应关系。酒精代谢产物的毒性作用可以降低过氧化物歧化酶活性，使自由基生成增多，而自由基具有强烈的脂质过氧化作用，损伤细胞膜和细胞器，导致血管内皮细胞损伤，通透性改变，诱发微循环障碍。同时周围脂质的增多也可聚成脂肪球，使股骨头微循环发生脂肪栓塞，导致股骨头坏死。

股骨头的血供比较贫乏，且容易受到伤害，从而容易造成股骨头缺血性坏死。研究表明股骨颈骨折占创伤性股骨头坏死的87.18%，而中老年是股骨颈骨折的高发年龄[4]。创伤所致股骨头坏死比例近年来有所降低，与创伤治疗技术的提高有关。

1.2 病理机制 微循环障碍是股骨头坏死的共同病理机制，无论原发性，还是继发性股骨头坏死，决定其病理演变的因素可概括为3个方面：即，病因；破骨细胞介导的骨吸收与骨的有效重建速率的平衡关系；生物力学作用。病因最终造成微循环损害，骨细胞、骨髓组织坏死、骨髓间充质细胞向成骨细胞分化能力下降，由于骨细胞及附于骨小梁表面的成骨细胞具有一定的屏障破骨细胞活动作用[5]。股骨头坏死开始时，破骨细胞对骨小梁吸收增强，骨小梁因而变得稀疏细小。另一方面，因骨小梁中的骨细胞坏死失去了矿物代谢功能，其机械强度随之下降，当应力传导时，骨小梁极易骨折，骨坏死吸收同时伴随修复，修复的强弱取决于供血状态，通常在正常与坏死骨组织间出现一个修复区，该区骨的形成和吸收都较为活跃，如果吸收的骨不能由新生的骨有效替代，将发展成一软化区，因此，骨的吸收速率及新生骨的有效重建速率应保持一定的平衡关系，而这种关系最终由破骨细胞的活动、MSCs向成骨细胞分化的能力及成骨细胞的功能状态决定[6]。总之，股骨头坏死的特征是股骨头缺血坏死随之出现修复反应进而发生股骨头塌陷及髋关节骨性关节炎。

2 MSCs

MSCs来源于胚胎发育期中胚层，存在于骨髓组织中，在一定条件下能够分化成软骨细胞、成骨细胞、成纤维细胞、脂肪细胞等；并且MSCs取材方便、对供体损伤小、易于分离培养、体外增殖能力强、传代培养后仍具有成骨能力，这些优点使其成为骨坏死修复理想的种子细胞。

2.1 MSCs的生物学特性 Bianco等[7]证实MSCs具有在体外培养容易贴壁生长、形成集落、分化成定向祖细胞并能大量扩增的特点。MSCs具有干细胞的基本特性，能够自我复制、自我更新并具有多向分化潜能[8]。由于它可以分化为骨髓基质等多种间充质组织，因此又被称为基质细胞或间充质干细胞。其可分化成多种类型的结缔组织细胞，如成骨细胞、成软骨细胞、成肌细胞、成脂肪细胞、支持造血的基质细胞，甚至可以分化成传统认为是终末细胞的心肌细胞和神经细胞[9，10]。并且扩增20~30代后仍保持其多向分化潜能。

2.2 MSCs的成骨特性 MSCs分化具有组织特异性，即MSCs所到达的组织微环境可诱导其定向分化[11]。骨髓中MSCs含量较少，但它能广泛扩增，如20m l骨髓抽吸液经培养就能产生1013MSCs，接近成人身体细胞总数。MSCs具有向成骨分化的潜能，利用这一特性，将为骨坏死治疗带来契机。

祝联等[3]应用珊瑚及MSCs复合物修复骨缺损，术后股骨缺损处充填了大量新生骨组织，色泽红润，8个月时色泽变白，质地坚硬，股骨无缩短，证明了MSCs能向成骨细胞转化，具有活跃的成骨能力。MSCs具备向成骨分化的能力，但必须经过一定的诱导才能更好的发挥其成骨的特性。Chang等[2]研究表明地塞米松、β-甘油磷酸钠和维生素C是MSCs向成骨细胞分化和体外成骨的必要条件。黄开等[13]将成骨细胞与诱导剂(地塞米松、β-甘油磷酸钠、抗坏血酸)一起加入培养基，结果表明成骨细胞能促进MSCs的增殖和诱导MSCs向成骨分化。这些研究的发现将优化诱导的条件，形成更稳定的方法。

2.3 MSCs在治疗股骨头坏死中的临床应用

2.3.1 髓芯钻孔减压并MSCs注射移植治疗股骨头坏死随着干细胞技术的发展，国外部分学者进行了髓芯钻孔减压并MSCs注射移植治疗早期股骨头坏死的尝试，获得了满意结果。

Gangji等[14]设立双盲对照髓芯减压和自体骨髓移植，13例18髋股骨头坏死，为ARCOⅠ期或Ⅱ期，术后髓芯减压组8髋中有5髋进展到Ⅲ期，而自体骨髓移植组的10髋只有1髋变为Ⅲ期，证明干细胞对早期股骨头坏死治疗是安全有效的。Yanz等[15]在髓芯减压的基础上，经减压通道置入1根硬膜外导管，将自体MSCs注入，既能改善骨内高压、骨微循环障碍等病理状态，又能提供股骨头修复重建的种子细胞，为新骨生成、替代死骨创造良好的环境，并获得了较好的临床效果。Hernigou等[16]共治疗股骨头坏死116例189髋，随访5~10年，平均7年，结果塌陷前期（Ⅰ、Ⅱ期）145髋中有9髋进行髋关节置换，塌陷后期（Ⅲ、Ⅳ期）的44髋中有25髋做全髋关节置换。结果显示，移植的细胞数量越多，疗效越好。徐军等[17]应用髋关节镜及自体外周血BM-MSCs移植术，采用Harris髋关节评分评价优良率达94.7%，所有患者疼痛消失，行走正常，髋关节活动范围正常或接近正常，X线片示股骨头轮廓清晰，囊性变消失。

2.3.2 MSCs动脉灌注治疗股骨头坏死 在股骨头坏死病灶中血液供应均遭到破坏，改善股骨头血液供应成为治疗该病的关键。有作者利用MSCs灌注治疗兔股骨头坏死，治疗后2、4周，X线表现骨质密度改变明显好转，病理组织学表现空骨陷窝减少，成骨细胞增多，新骨形成，说明高选择性股动脉灌注药物治疗股骨头坏死能加速兔股骨头坏死的再血管化和再骨化进程[18]。杨晓凤等[19]采用超选择性股骨头供血动脉干细胞移植术的方法治疗股骨头坏死患者63例，取得了较好的临床效果。

2.3.3 联合填充材料MSCs移植 联合填充材料的目的在于通过在体外细胞或器官的生长，或将细胞与载体相结合，从而促使组织再生和器官功能的恢复。MSCs可以作为一种良好的种子细胞。Sun等[20]使用纳米晶胶原基骨复合材料作为支架材料，有降解与新骨生长匹配、接近自体骨框架以及可供成骨细胞贴附生长繁殖的优点，同时具有较强的诱导成骨能力，适合MSCs粘附、生长、增殖和分化；并且有较强的组织相容性和适当的可降解性，能在降解过程中逐渐被新骨替代。孙伟等[21]在兔双侧股骨头内骨缺损区填充纳米人工骨和MSCs的复合材料。术后4周即有明显的成骨反应和新骨形成，填充纳米晶胶原基骨（nHAC）和MSCs的复合材料组骨小梁结构形成，12周基本修复股骨头的骨缺损区，说明nHAC有较强的传导成骨作用，是修复兔股骨头骨缺损的良好移植材料。付松等[22]用牛松质骨复合MSCs植入治疗兔股骨头坏死的实验研究表明，牛松质骨具有较好的生物相容性，并有良好的骨传导性和机械承受能力。局部联合材料移植MSCs也是治疗股骨头坏死的一个方法，但寻求组织相容性高、不良反应少、经济有效的材料依然值得研究。

3 MSCs移植存在的问题及展望

MSCs是目前临床研究的热点之一，在骨组织工程方面具有广泛的应用前景，但仍存在许多问题和不足，需进一步研究。如：①不同病因导致的股骨头坏死的MSCs向成骨分化的能力有差异，不同个体、不同疾病状态和不同部位的MSCs数量和质量均可能有差异，如何才能使其发挥最大作用；②在成骨的过程中，MSCs细胞间相互如何作用以及其所处的微环境中的各种刺激因子如何起作用，以及刺激因子间的相互关系；③不同来源的MSCs分化潜能是否一样，多代培养后自我更新、多向分化的潜力是否相同等；④关于MSCs的移植途径目前已经报道有静脉输入、靶器官动脉血管介入、定位移植等，哪种方法最合适；⑤植入的MSCs所形成的骨在组织学、生物力学上与正常骨的差别，能否解决退变的问题；⑥自体与异体MSCs间的应用选择，等。

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