干细胞在骨质疏松治疗中的应用进展

李春阳 马 旭 综述，杨大平 审校

（哈尔滨医科大学附属第二医院整形美容科黑龙江哈尔滨150086）

·综述·

干细胞在骨质疏松治疗中的应用进展

Application of stem cells in the treatment of osteoporosis

李春阳 马 旭 综述，杨大平 审校

（哈尔滨医科大学附属第二医院整形美容科黑龙江哈尔滨150086）

骨质疏松症是常见的骨代谢疾病之一，是骨组织的数量和质量的异常，以骨密度的减少及骨微结构的退变为主要特征，导致骨骼脆性增加及易发生骨折的全身性疾病［1］。虽然详细的病理机制仍不清楚，但是由于激素分泌急剧减少而造成的成骨细胞和破骨细胞之间的不均衡在骨质疏松症的发生中起着重要的作用［2］。应用雌激素治疗骨质疏松，会产生许多副作用。由于在骨质疏松性人群中，骨密度降低和骨折愈合能力的减弱可能是与间充质干细胞的缺失导致的成骨细胞分化和增殖能力减弱有关［3］。因此，干细胞移植可以作为骨质疏松症的一种治疗手段，干细胞是一类具有多潜能特性的细胞，而且其在特定的诱导条件下能向多种细胞系分化，来源丰富，获取途径并不十分困难。干细胞移植能从根本上改善病情，直接或间接增加成骨细胞的数量，目前常用于治疗骨质疏松的干细胞有脂源性干细胞、骨髓间充质干细胞等，现将最新进展综述如下。

1 骨髓间充质干细胞

骨髓间充质干细胞（MSCs）是一种分布于骨髓中数量较少的多能干细胞，具有极强的自我更新能力，在特定的诱导条件下能向多种细胞系分化，如：成骨细胞、成纤维细胞、软骨细胞、脂肪细胞、肌细胞、神经细胞等。由于骨髓间充质干细胞易于分离、增殖，具有多向分化潜能，使其成为免疫调节、组织修复和细胞治疗的首选应用材料［4］。Wang等［2］分离培养切除卵巢骨质疏松模型（OVX）新西兰白兔的BMSCs，并在体外将其与藻酸钙凝胶混合，并注入OVX新西兰白兔股骨的远端，移植8周后进行大体形态学、组织学和骨组织力学检测，结果发现与单纯注射藻酸钙凝胶相比，MSCs-藻酸钙凝胶实验组在注射处理的局部组织处具有更多的骨组织，骨小梁密度增加，骨的最大负荷和拉力强度提高，这就证实BMSC对局部骨质疏松骨具有强化作用。Ocarino等［5］将健康大鼠体内的骨髓间充质干细胞注入卵巢切除引导的骨质疏松症的大鼠的股骨，2个月后通过组织形态学检测发现大鼠股骨的骨量明显得到改善，结果表明骨髓间充质干细胞对于骨质疏松症的治愈非常重要。

单纯BMSC移植尽管在短时间内能够有效改善骨质疏松状况，但是由于移植BMSCs数量、随传代衰老和自身免疫反应等诸多问题，实际治疗效果仍有争议。因此，提高BMSCs体外增殖能力，增加移植数量，减缓自然衰老，增强成骨分化能力，有效提高BMSCs移植后效果已成为近年研究热点。现在，学者们多将与成骨相关的生长因子如骨形态发生蛋白（BMP）通过基因转染方式转入BMSC内，然后再进行移植，取得了不错的效果。骨形态发生蛋白（BMP）属于转化生长因子β（TGF-β），能有效刺激诱导BMSCs向成骨细胞分化，促进成骨细胞成熟，提高成骨细胞活性，促进骨形成和骨生长，现已被广泛应用于骨缺损和骨不连的治疗［6］。Zhang等［7］将经BMP4转染的BMSCs注入小鼠髓内，发现移植MSCs在实验小鼠体内存在超过14d。通过外周定量CT（pQCT）检测显示，BMP4-MSCs移植14d后，小鼠松质骨密度增加20.5%，全骨密度增加6.5%；移植56d后，全骨密度增加10.4%。国内学者唐尤超［8］等将hBMP2基因修饰的BMSCs复合多孔的珊瑚羟基磷灰石支架植入OVX SD大鼠下颌支圆形骨缺损部位，4周、8周后进行组织学、放射学、骨矿物质密度检测，结果发现实验组4周后在支架边缘有新骨形成，8周后可见相互连接的成熟骨形成，新生骨量明显提高。对照组中，8周后在骨缺损的边缘只能看到很少的新骨形成和一些脂肪组织。这可能是骨质疏松性大鼠雌激素减少的结果。BMSC具有多向分化的潜力，可以分化为成骨细胞和脂肪细胞。因此，在骨质疏松性的骨髓腔中快速骨质流失和脂肪形成增加有关。

2 脂肪间充质干细胞

与骨髓来源间充质干细胞相比，脂肪干细胞有以下优点：第一，脂肪干细胞通过吸脂和过滤的方法容易大量获取；第二，脂肪干细胞具有多向分化潜能：可以成骨分化、成脂分化、成肌分化，也可以分化为软骨细胞，并且具有与骨髓来源干细胞相似的功能［9］；第三，应用脂肪干细胞进行研究和临床应用几乎不存在伦理问题。因此，这些本身的特点和优势使脂肪干细胞成为组织工程和细胞疗法的理想干细胞来源。

用脂肪干细胞来治疗骨缺损已进行了大量的研究。皮下植入脂肪干细胞符合羟基磷灰石/磷酸盐支架，能够形成类似骨组织结构［10］。此外，脂肪干细胞种植于胶原支架可以分化为成骨样细胞并能产生细胞外基质［11］。这些研究证实脂肪干细胞可以作为修复骨缺损的细胞来源。但是，脂肪干细胞在组织工程的应用可能主要取决于脂肪干细胞的增殖和分化能力。这些因素可能会受到供体年龄的影响。在动物和人的模型中，许多研究证实骨髓间充质干细胞细胞数量变化、扩增时间和分化能力受供体年龄的影响［12］。因此，在用脂肪干细胞来治疗骨质疏松时，其成骨能力随年龄的变化也是非常重要的［13］。

Liu等［14］比较年龄对快速老化模型小鼠SAMP8脂肪干细胞生长动力学和分化的影响，结果发现在增殖率和成骨分化方面老年组均显著降低。然后，分别将幼年和老年的脂肪干细胞移植到骨质疏松鼠的骨髓中来评价其骨形成能力。移植后4个月结果证实能够有效提高右侧/左侧膝关节、股骨和脊柱的骨矿物质密度，其中接受幼年脂肪干细胞移植的鼠的骨形成能力明显高于老年脂肪干细胞移植的鼠。因此，年龄也可以妨碍脂肪干细胞改善骨质疏松，主要是通过减少成骨信号。陶晖等［15］通过尾静脉给予治疗组大鼠植入脂肪源干细胞来观察ADSCs移植对糖皮质激素性骨质疏松（GIOP）大鼠骨密度和骨组织微结构的影响，4周后取材发现治疗组大鼠的腰椎和股骨骨密度均有显著升高（P＜0.05），而骨组织形态学显示，骨小梁的数目增多，且变厚变粗，骨小梁间出现连接，陷窝减少，这说明脂肪源干细胞能明显改善骨质疏松。Cho等将人体脂肪源干细胞移植治疗卵巢切除诱导的骨质流失的裸鼠，相比仅仅通过雌激素及磷酸盐治疗的裸鼠，干细胞移植治疗组血清骨钙素升高（P＜0.05），这表明脂肪源干细胞能防止骨质流失。Li等［16］则通过用Lentivirus载体，将抑制锌指蛋白467的脂肪干细胞通过尾静脉注入OVX的ddY小鼠后，发现锌指蛋白467被抑制组别相对于仅仅脂肪源干细胞直接移植的组，在μCT影像上显示出其骨量丢失明显受到限制（P＜0.01）。这一结果表明脂肪干细胞中锌指蛋白467相关的RNA抑制脂肪的形成，而会促进其向成骨细胞分化。锌指蛋白467是涉及脂肪干细胞向脂肪细胞分化和成骨细胞分化的蛋白质。脂肪干细胞中的锌指蛋467RNA能够修复人工卵巢切除后导致的骨质疏松症小鼠模型的骨的功能和结构。因此，锌指蛋白467在脂肪干细胞向脂肪细胞和成骨细胞分化上起着重要的作用。Lee等［17］将人脂肪干细胞通过尾静脉注射移植到去势化ddY小鼠体内后发现ADSC能够使骨组织内成骨细胞和破骨细胞数量增加从而预防骨质丢失。研究还发现：在条件适宜的情况下，人脂肪干细胞在体外可以通过Smad和细胞外信号调节激酶（ERK）/JNK（c-jun NH2-terminal kinase）促进成骨细胞的增殖和分化，也能通过ERK/JNK/p38的活化来促进破骨细胞的成活和分化。总的来说，人脂肪干细胞旁分泌的因子能够促进骨的修复，并且脂肪干细胞是骨质疏松治疗方面一非常重要的方法。

3 影响干细胞成骨分化的生长因子和药物

脂肪干细胞对受损组织修复和再生的主要机制包括旁分泌的细胞因子和生长因子及直接向特定细胞的分化［18］。某些与成骨相关的生长因子及细胞因子甚至某些促进成骨的药物对干细胞在骨质疏松的治疗中也会发挥重要作用。骨诱导生长因子如骨形态发生蛋白（BMPs）已被广泛应用于骨组织工程和临床。BMPs能够诱导连续的级联事件促进软骨形成、骨形成和血管形成，并且能够控制细胞外基质的合成。BMP-2和BMP-7是应用最为广泛的BMPs，其价格昂贵。尽管BMPs对促进骨形成具有优越的性能，但是，在某些情况下也会出现负作用。在骨组织工程研究方面，研究者们已经发现了许多方法通过延缓其释放来减少BMPs的使用量和提高BMPs的骨诱导效果。但是，我们应用最简单的方法来寻找一种有效、价格低廉的替代物来代替昂贵的BMPs。这也就更加证实了需要开发一种便宜的骨诱导药物的重要性［19］。

越来越多的学者发现淫羊藿苷具有骨诱导性，因为它能促进骨的形成、软骨形成和血管形成。淫羊藿苷具有多种功能，它的骨诱导功能尤为显著。对骨修复来说，将淫羊藿苷包被于磷酸钙生物材料上是局部应用淫羊藿苷的一种好方法，并且磷酸钙支架具有骨传导性。Wu等［20］研究证实早期局部应用淫羊藿苷对促进骨形成具有良好效果。一些研究试图阐明淫羊藿苷促进成骨的分子机制。总之，淫羊藿苷可以通过诱导BMP-2和NO的合成、激活BMP-2/Smad4信号转录途径，上调BMP-2、BMP4、Smad4、Cbfα1/Runx2、OPG、RANKL和OPG/RANKL的比率来促进成骨［21］。淫羊藿苷可以通过抑制p38和JNK通路的激活来抑制脂多糖介导的骨吸收，这反过来也促进了骨的形成［22］。但是，淫羊藿苷的骨诱导机制和临床应用需要进一步研究。

与BMP相比，淫羊藿苷价格低并且副作用小［23］。淫羊藿苷价格非常低、数量多又具有良好的骨再生功能，这些使它能够非常适合临床应用。因此，它可以成为BMPs的替代物或辅助物。然而，局部应用淫羊藿苷的效果仍需继续研究，需要找到一合适的载体来进行最有效的转运。按照目前的研究，我们认为淫羊藿苷是一良好的骨诱导剂。

4 展望

干细胞移植是一项新型的治疗手段，具有独特的优势。干细胞能够成骨分化，且来源丰富，获取方便，因此研究者希望将干细胞移植技术引入到骨质疏松症治疗中。随着再生医学的发展，目前干细胞基础研究已取得了一定的进展。干细胞移植主要有直接移植、基因修饰后移植以及体外诱导分化等。无论哪种干细胞移植途径，其治疗骨质疏松症的机制均是直接或间接促进成骨分化，增加成骨细胞数量，抑制破骨分化，改善骨代谢，从根本上治疗骨质疏松症。

为提高和保证干细胞能够分化为产生有功能的骨基质细胞，就需要通过蛋白直接转运或病毒基因转染的方法将生长因子和细胞因子植入。生长因子数量多，主要包括骨形成蛋白（BMPs）、血浆源性生长因子（PDGF）、转化生长因子（TGF-β）和胰岛素样生长因子（IGFs），现在已对这些因子进行了大量研究，并且这些生长因子对种子细胞的增殖和分化具有明显效果。但是，这些生长因子价格高、降解快，限制了其广泛应用，尤其是在临床的应用。BMP家族蛋白是促进成骨所有因子中作用效果最强的。但是它们生物活性不稳定，BMP-2在体外的半衰期短，只有7～16min，价格昂贵。因此，迫切需要开发一些比生长因子更高效、价格更低的成骨产品或药物来代替生长因子。淫羊藿是治疗骨质疏松最常用的中药之一。淫羊藿苷是其发挥作用的主要成分，价格非常低、数量多又具有良好的骨再生功能，这些使它能够应用于临床。它可以成为BMPs的替代物或辅助物。但是，局部应用淫羊藿苷的效果仍需继续研究，需要找到一合适的载体来进行最有效的转运。并且淫羊藿苷诱导干细胞成骨分化以及促进骨质疏松症骨修复的具体分子机制还需要进一步研究。

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2015-02-24

2015-03-23

编辑/李阳利

杨大平，教授、博士生导师；研究方向：组织工程、皮瓣移植和干细胞的应用；E-mail：dapingyang@hotmail.com