骨髓间充质干细胞在治疗股骨头坏死中的应用

王湛，王天胜

(1.中国医科大学94 期七年制，辽宁 沈阳 110001;2.解放军第463 医院骨科，辽宁 沈阳 110042)

股骨头坏死是由于破坏了股骨头的血液供应所造成的最终结果，是临床常见的疾病之一，其确切病因尚不清楚，有多种学说，目前认为可能与下列因素有关，包括患者有长期服用糖皮质激素的病史，长期过量饮酒致酒精中毒，有创伤病史，患有血液系统疾病等。其主要的病理学改变是股骨头局部的滋养血管受到破坏，导致骨缺血，诱发骨质变性，最终出现骨小梁的断裂，股骨头塌陷，骨坏死，进而逐渐丧失髋关节功能［1，2］。股骨头坏死患者多为青壮年，其主要症状最初为间歇性疼痛，随着病情的发展，疼痛时间延长，以至于出现持续性疼痛。由于疼痛导致反射性肌肉痉挛，使关节活动受到限制，这样最终会影响到患者的正常生活。因此早期诊断和治疗对改善预后十分重要［3］。目前临床上对股骨头坏死多采取手术治疗，常用的术式有骨膜移植术、单纯的骨移植术或髓芯减压术等。这些治疗方法虽有一定疗效，但还存在很多问题，治疗效果不能令人满意。

研究表明，股骨头坏死的发病除与各种原因引起的局部组织缺血有关以外，还与成骨细胞及骨髓内间充质干细胞的活性降低及总体数量减少相关联，因此，实际上股骨头坏死也可以认为就是一种骨细胞和/或间充质干细胞疾病［4］。近年来临床上开始将骨髓间充质干细胞(bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs)应用于治疗股骨头坏死，结果呈现出良好的治疗效果，因此已逐渐被推广，现已成为治疗股骨头坏死的热点技术之一。本文就骨髓间充质干细胞移植在治疗股骨头坏死中的应用及临床相关研究现状做一综述。

1 BMSCs 生物学性质

BMSCs 又称骨髓干细胞、骨髓多能干细胞，是20世纪70年代才开始受到重视的一类纤维集落生成细胞［5］。在胚胎发育过程中BMSCs 来源于中胚层，存在于成人的骨髓组织中，在光学显微镜下其形态特征为为长梭形，类似成纤维细胞，与成纤维细胞有一定的同源性特征。

BMSCs 属于干细胞，表现出干细胞的共同特性，即能够自我复制，具有多向分化潜能。在特定的诱导微环境下，BMSCs 能够分化为同为中胚层的成骨细胞、软骨细胞、肌细胞及脂肪细胞等。此外，BMSCs 还可以向其他胚层来源的细胞分化，例如，可分化为来源于外胚层的神经元样细胞、神经胶质细胞，来源于内胚层的肝细胞等［6］。BMSCs 除具有上述干细胞的一般特点，还能分泌多种成骨活性因子，有利于骨折愈合时细胞爬行，提示在骨与软组织损伤修复中可能具有良好的治疗作用，这无疑为BMSCs 在股骨头坏死治疗中的应用提供了重要的理论基础，而目前已取得的研究成果预示BMSCs 的应用有可能成为一种新的治疗股骨头坏死的有效方法［7］。

2 应用BMSCs 治疗股骨头坏死的适应证

应用BMSCs 治疗股骨头坏死时一般应选择病变早期患者，即根据ARCO 分期，应为Ⅰ期、Ⅱ期的患者。此时患者的股骨头仍具有完好的外形。而Ⅲ期患者主要行股骨近端截骨术和(非)血管化骨移植。Ⅳ期患者则根据坏死区的大小和病理改变，可选择关节面重建术或髋关节置换［8］。

3 BMSCs 治疗股骨头坏死的临床应用

3.1 通过髓芯钻孔减压结合BMSCs 移植治疗股骨头坏死有研究显示，股骨头内高压是导致股骨头坏死的重要因素，由于某种原因使骨髓腔内正常的造血组织及骨髓内的脂肪细胞增大，组织液增多，致使髓腔内压力增高，进而导致静脉血回流阻滞，出现微循环障碍，造成骨组织缺氧，使成骨细胞及骨髓细胞死亡［9］。基于上述的病理性改变，Ficat 等设计了开放封闭的骨髓腔的髓芯减压术，这样不但可以减低骨内压，而且还可以提供从周围正常骨组织新生的毛细血管向股骨头缺血坏死区爬行修复的通道。然而此种办法并没有彻底解决股骨头的修复问题，若在髓芯减压的基础上进行BMSCs的移植，BMSCs沿髓芯减压孔注入到骨坏死区域，提供修复重建股骨头的种子细胞，在局部微环境的影响下，BMSCs 定向的向骨细胞分化，通过新生骨重建骨结构达到治疗股骨头坏死的效果［10］。

比较采用髓芯减压术并BMSCs 移植相结合的治疗方法与单纯髓芯减压治疗早期(ARCOⅠ、Ⅱ期)股骨头坏死的疗效，结果显示前者的疗效明显优于后者［11］。例如，Hernigou等［12］采用了髓芯减压加自体骨髓移植的方法治疗股骨头坏死116例189 髋，其做法是取髂前上棘骨髓血经过离心后获得干细胞悬液，在经过髓芯减压以后，插入一个小套针管，首先注入少量造影剂，再经套管针注入制备好的干细胞悬液。对经过这样治疗的患者进行随访，术后7年，在对Ⅰ、Ⅱ期患者进行治疗的145 髋中，只有9 髋需要再次进行关节置换手术。而在对Ⅲ、Ⅳ期患者治疗的44 髋中，有25 髋需要再次进行关节置换手术。由此可见，髓芯减压加BMSCs 移植是治疗ARCOI、Ⅱ期股骨头坏死安全有效的方法，但对Ⅲ、Ⅳ期患者疗效欠佳。

通过髓芯钻孔减压结合BMSCs 移植治疗股骨头坏死的方法主要的优势是采用了微创切口，由于治疗过程中不破坏关节囊，因而对股骨头的供血不会造成进一步的损害，同时也不妨碍其他治疗手段的实施，可与之并用。但此方法也存在一些问题，例如，通常需要在髂前上棘取骨髓，术后可能造成手术区的疼痛;减压区骨皮质外有出血，进而可能形成血肿，而血肿的形成不利于伤口的愈合，并易并发感染。

3.2 采用BMSCs 动脉内灌注治疗股骨头坏死 如上所述，虽然目前关于股骨头坏死的发病机制还不清楚，但导致其病理性改变的是由于股骨头血液供应遭到破坏这一点是明确的，因此，治疗股骨头坏死关键是需要恢复股骨头区的血液供应，而自体干细胞移植诱导血管再生技术的出现为其治疗提供了技术平台，具有广阔的应用前景。

Ji WF 等［13］对兔股骨头坏死动物模型进行BMSCs 动脉灌注治疗实验，应用四环素荧光标记显示，在BMSCs 治疗组经两周后出现了间充质细胞的增生，在周围骨小梁表面有明显的新骨形成，并伴有大量血管增生。杨晓凤等［14］在临床上对股骨头坏死患者63例采用超选择性股骨头供血动脉干细胞移植术，取得了比较满意的治疗效果，经过治疗后关节疼痛的缓解率为85.7%，关节功能改善率达30.2%，经检查可见旋股内、外动脉及闭孔动脉管径增粗，出现较多新生血管，明显改善了股骨头区的血液供应。其中对2例在治疗18个月后进行了复查，结果可见股骨头坏死区已经缩小，并有新骨形成。

采用BMSCs 动脉内灌注治疗股骨头坏死的机制可能与下列因素有关［13］，首先通过疏通出现病变的股骨头内血管，进而改善了局部静脉回流，降低了骨内压，使股骨头内的血液供应得到改善。其次，通过BMSCs 的植入也改善了股骨头坏死区域周围的血液供应，增强了髋部局部的血液循环，进而也能为股骨头坏死区域提供良好的血液供应的局部环境。此外，通过BMSCs 的植入也能起到修复损伤血管、保护局部血管内皮的作用，加之有新生的血管，有利于建立局部良好的血液循环。

采用BMSCs 动脉内灌注治疗股骨头坏死的方法的主要优势是由于是直接经股骨头的供血动脉供给BMSCs，因此其安全性较高，效果也比较明确，且操作简单易行。此方法目前还需要解决的问题是应该进一步明确经移植后干细胞在缺血组织内增殖分化的潜能，骨缺损修复的时间，影响治疗效果的因素以及如何预防新生血管的再狭窄等。

3.3 BMSCs与组织工程学技术相结合治疗股骨头坏死 组织工程学是一门新兴学科，随着组织工程学技术的进步，为临床多种疾病的治疗提供了新的更有效的方法。组织工程学主要是将生命科学和工程学的原理及技术相结合，应用生物材料作为载体，研究开发设计构建或重建具有生理功能的各种组织器官，通过移植到体内，使之成为具有修复、维持或改善受损组织功能的生物替代物。骨组织工程学的目的是通过诱导新的功能骨的再生，与生物材料、细胞和各种因子协同进行治疗［15］。

目前认为BMSCs 是最有临床应用前景的种子细胞［16］，也是在组织工程学中常常被利用的“工具”。BMSCs与组织工程学技术相结合治疗股骨头坏死就是利用BMSCs 能被诱导分化为成骨细胞的特性，结合骨组织工程的生物支架及诱导功能，通过将BMSCs与某种形式的组织工程支架共同植入体内，定向地修复股骨头坏死骨性病变。Livingston 等［17］将培养扩增后的BMSCs与生物支架材料共同用于犬骨缺损模型体内，经8 周后可见在植入物中几乎每个孔中都含有相当数量的新骨形成，而且在受体骨与植入物的界面上也有大量新骨生成，出现一个跨缺损区的骨连续带，在植入16 周后可见骨缺损已逐渐修复。

BMSCs与组织工程学技术相结合治疗股骨头坏死的机制可能与下列诸因素有关，其一，组织工程支架为各种所需生长因子提供了良好的载体，使BMSCs 在有利于向成骨细胞分化的微环境下有效地向目标组织分化［18］。其二，组织工程支架的使用确保了BMSCs 植入到坏死的股骨头局部内，使疗效明确。其三，由于组织工程支架具备三维立体结构，这样就使其在植入坏死区后更有利于新生组织定位生长，即新生毛细血管、血管周围组织和骨母细胞的长入。综上所述，此方法具有很好的应用前景，目前需要解决的主要问题是组织工程学生物支架材料还处于研发阶段，技术尚未成熟，临床远期效果还需要进一步明确，因此，在临床中的广泛应用还需要进一步的深入论证。

4 目前存在的主要问题

关于应用BMSCs 治疗股骨头坏死的临床和基础的研究虽然已取得了较大的进展，有很好的应用前景，但此项技术仍有许多问题有待解决。

BMSCs 的来源和数量有限，目前治疗用的骨髓多为自体骨髓移植。Lee 等［19］研究发现，酒精性和自发性非创伤性股骨头坏死的BMSCs 向成骨分化的能力明显减弱，说明不同病因导致的股骨头坏死的BMSCs 向成骨分化的能力有所差异。因此，必须建立一套高效的BMSCs 体外扩增活化技术，用来保证有足够数量和活性的细胞满足临床需要。

诱导BMSCs 分化的细胞内信号转导机制还有许多不明之处，目前已知的各种调控BMSCs 分化的因素之间的相互关系还需要进一步的深入研究。

在成骨过程中，需要弄清BMSCs 间的相互作用以及BMSCs 在细胞、组织微环境中定向分化所需的最佳条件，要以此为依据，才能建立最适于临床应用的技术方法。

临床疗效、体内可控性以及安全性评价问题是BMSCs治疗的根本问题。目前的临床研究报道以短期观察为主，缺乏长期随访及大样本随机对照研究。虽然目前没有研究明确提示BMSCs 治疗的副作用，但体外长期培养的BMSCs 若被移植到体内可能存在产生基因突变，诱发肿瘤的可能性，还需要长期的观察与深入的研究。目前，需要建立科学的评价体系，以确保安全、可靠的应用。

BMSCs 治疗是一种有别于常规药物和手术治疗的新技术，需要有相应的技术规范和管理机制，以确保技术的健康发展和医患双方的权益。

综上所述，骨髓间充质干细胞在治疗股骨头坏死中的应用尽管还有许多问题需要进一步研究，但BMSCs 治疗股骨头坏死拥有取材容易、临床治疗可行性强、适用范围广等优势，且随着分子生物学和细胞生物学的迅速发展，将会逐渐明确促进BMSCs 进一步生长、分化为骨组织的生物学机制，明确调控其生物学作用的相关细胞因子，进而能够更好地为分布在坏死局部的BMSCs 提供适宜的微环境。我们相信随着对BMSCs 治疗股骨头坏死研究的不断深入，将会为股骨头坏死的微创治疗开辟新的纪元。

［1］Aldridge JM，Urbaniak JR.Avascular necrosis of femoral head:Role of vascularized bone grafts［J］.Orthop Clin North Am，2007，38(1):13-22.

［2］Wood MB.Free vascularized fibular grafting-25 years'experience:tips，techniques and pearls［J］.Orthop Clin North Am，2007，38(1):1-12.

［3］Lee MS，Chang YH，Chao EK，et al.Conditions before collapse of the contralateral hip in osteonecrosis of the femoral head［J］.Chang Gung Medical Journal，2002，25(4):228-237.

［4］Gangji V，De Maertelaer V，Hauzeur Jp.Autologous bone marrow cell implantation in the treatment of nontraumatic osteonecrosis of the femoral head:Five year follow-up of a prospective controlled study［J］.Bone，2011，49(5):1005-1009.

［5］程建岗，杨杰山.成人股骨头坏死治疗进展［J］.中国现代医药杂志，2009，11(9):123-125.

［6］Woodbury D，Schwarz EJ，Prockop DJ，et al.Adult rat and human bone marrow stromal cells differentiate into neurons［J］.J Neurosic Res，2000，61(4):364-370.

［7］郭军，林国生，鲍翠玉，等.干细胞因子对大鼠骨髓间充质干细胞增殖与分化的影响［J］.中国医师杂志，2004，6(12):1601-1604.

［8］Drescher W，Pufe T，Smeets R，et al.Avascular necrosis of the hip-diagnosis and treatment［J］.Z Orthop Unfall，2011，149(2):231-240.

［9］Schneider T，Cremer D，Becker C，et al.Femoral head histology subsequent to ischemia，reperfusion and steroid treatment［J］.Ann Anat，2009，119(5):496-501.

［10］Kasper G，Dankert N，Tuischer J，et al.Mesenchymal stem cells regulate angiogenesis according to their mechanical environment［J］.Stem Cells，2007，25(4):903-910.

［11］Gangji V，Toungouz M，Hauzeur JP.Stem cell therapy for osteonecrosis of the femoral head［J］.Expert Opin Biol Ther，2005，5(4):437-442.

［12］Hernigou P，Beaujean F.Treatment of osteonecrosis with autologous bone marrow grafting［J］.Clin Orthop Relat Res，2002(405):14-23.

［13］Ji WF，Tong PJ，Zheng WP，et al.Experimental study on treatment of femoral head necrosis with arterial perfusion of marrow stem cells［J］.Zhongguo Zhongxiyi Jiehe Zazhi，2004，24(11):999-1002.

［14］杨晓凤，王红梅.干细胞移植改善股骨头坏死缺血状态的实验及临床效应:20 只模型兔及188例患者资料分析［J］.中国组织工程研究与临床康复，2008，12(8):1558-1562.

［15］Amini AR，Laurencin CT，Nukavarapu SP.Bone tissue engineering:recent advances and challenges［J］.Crit Rev Biomed Eng，2012，40(5):363-408.

［16］Bajada S，Harrison PE，Ashton BA，et al.Successful treatment of refractory tibial nonunion using calcium sulphate and bone marrow stromal cell implantation［J］.J Bone Joint Surg(Br)，2007，89(10):1382-1386.

［17］Livingston TL，Gordon S，Archambault M，et al.Mesenchymal stem cells combined with biphasic calcium phosphate ceramics promote bone regeneration［J］.J Mater Sci Mater Med，2003，14(3):211-218.

［18］Tang TT，Lu B，Yue B，et al.Treatment of osteonecrosis of the femoral head with hBMP-2-gene-modified tissueengineered bone in goats［J］.J Bone Joint Surg(Br)，2007，89(1):127-129.

［19］Lee JS，Roh HL，Kim CH，et al.Alternations in differentiation ability of medenchymal stem cells in patients with nontraumatic osteonecrosis of the femoral head:comparative analysis according to the risk factor［J］.J Orthop Res，2006，24(4):604-609.