应用骨髓间充质干细胞治疗股骨头坏死的研究进展

康　凯， 邵　林， 韩剑锋， 俞　亮， 孙浩淞， 杜大江

(哈尔滨医科大学附属第二医院骨科,哈尔滨　150081; *通讯作者，E-mail：dudajiang@gmail.com)



应用骨髓间充质干细胞治疗股骨头坏死的研究进展

康凯， 邵林， 韩剑锋， 俞亮， 孙浩淞， 杜大江*

(哈尔滨医科大学附属第二医院骨科,哈尔滨150081;*通讯作者，E-mail：dudajiang@gmail.com)

股骨头坏死(osteonecrosis of the femoral head，ONFH)是一种呈进行性发展的难治性疾病，为患者带来极大的痛苦。该病是由多种病因造成的股骨头内骨松质及骨细胞血液供应缺乏而坏死，进而导致股骨头关节软骨下骨变性、坏死、塌陷，最终形成骨性关节炎[1]。ONFH主要发病年龄在30-40岁，其男性患者发病率为女性的3倍；另外，75%的患者为双侧髋关节同时发病[2]。间充质干细胞(mesenchymal stem cells，MSCs)是干细胞家族的重要成员之一，来源于发育早期的中、外胚层，属于多能干细胞，具有强大的自我增殖和多向分化的能力。骨髓间充质干细胞(bone marrow mesenchymal stem cells，BMMSCs)能在特定的条件下经诱导分化为成骨细胞，BMMSCs的特性说明其在体外培养具有良好的可控性。近年来，BMMSCs移植对ONFH的治疗已取得重大进展[3]。本文就目前BMMSCs治疗ONFH的主要研究进展做一综述。

1ONFH的发病机制

ONFH的病因较复杂，主要由多种因素引起如外伤、应用激素、酗酒和结缔组织疾病等[4,5]。微循环障碍是特发性股骨头坏死共同的发病机制，而决定其病理变化的主要因素包括：病因、生物力学作用、破骨细胞介导的骨吸收与骨的有效重塑率之间的平衡关系[6]。其发病机制最终导致微循环的破坏逐渐加重，骨细胞和骨髓组织严重坏死，BMMSCs向成骨细胞分化能力明显减低，而破骨细胞对未受保护的骨小梁吸收增强，这样使骨小梁变得稀疏细小。此外由于骨小梁中骨细胞的坏死而丧失矿物质代谢功能，从而使其股骨头内机械强度明显降低，当骨小梁受应力作用时易断裂。在骨吸收形成骨坏死的同时也伴随骨组织的自我修复，而修复的快慢情况取决于股骨头局部的血液供应及骨髓的功能状态。

重建坏死骨小梁的过程需要BMMSCs的分裂增殖，在坏死的修复中还需由再生毛细血管、富含成纤维样细胞的结缔组织、BMMSCs分化的破骨及成骨细胞等合成的骨基质来重建坏死的骨小梁。骨组织的吸收率与新生骨有效重塑率应保持一定的平衡关系，而这种关系最终由BMMSCs向成骨细胞分化的能力、成骨细胞的功能状态及破骨细胞的活动所共同决定[7]。总之，股骨头坏死的特征是股骨头内骨松质及骨细胞血液供应的缺乏而坏死，随后出现修复反应，经过一段时间后股骨头出现进一步塌陷，最终形成髋关节骨性关节炎。

在股骨头坏死的早期阶段除患侧腹股沟轻微疼痛外并无明显的症状和体征，在X射线平片图像上也无明显阳性发现。随着疾病的逐渐发展，疼痛变得越来越明显，在X射线平片上开始出现典型的病变影像。随后，股骨头将出现明显的塌陷，关节软骨被破坏，关节间隙变窄，最终整个髋关节恶化成严重的骨性关节炎。

早期治疗股骨头坏死的方法主要有：减少股骨头内的机械负载压力、旋转截骨术、钽棒植入等技术和方法[8]，例如髓芯减压术和冲击波治疗以提高坏死区域的修复能力[9]。如早期治疗不理想最终对ONFH治疗采用全髋关节置换术(total hip arthroplasty，THA)。然而，由于人工髋关节也存在一定的不确定因素和ONFH发病年龄的年轻化，我们需要更好的方法来防止股骨头塌陷。

2BMMSCs

MSCs广泛存在于身体组织中，如骨髓、脂肪组织、骨膜、肌肉、滑膜、肌腱、脐血管、牙髓和血管周围[10]。目前已经从这些组织中分离和提取出具有多向分化能力的MSCs，该细胞具有较强的自我更新和增殖能力[11]。它们可分化成骨、软骨、脂肪组织、肌肉、肌腱和血管内皮细胞，在特定的诱导条件下甚至可以分化为神经细胞[12]。

BMMSCs具有较多优点，如易采集、体外扩张快、免疫排斥反应小、与宿主长期共存、多次传代后仍能维持较强的分化能力和易转染[13]。Friedenstein等[14]将体内的BMMSCs移植在体外培养，几周后，观察到的成纤维细胞集落被证实是已分化成的骨组织，它们被称为成骨细胞前体细胞。Bianco等[15]证实BMMSCs在体外培养易贴壁生长，且能形成细胞集落，并分化成祖细胞。BMMSCs不仅具有上述干细胞的基本特征，而且它们能分化成各种类型的结缔组织细胞，例如成骨细胞、成软骨细胞、成肌细胞、成脂细胞等。在一定条件下也可分化为心肌细胞、神经细胞和神经胶质细胞。此外，他们的组织特异性分化表明，当BMMSCs在组织微环境达到相关条件时可诱导定向分化。

3MSCs用于治疗ONFH

对于现今许多难治性疾病，细胞移植无疑是一种比较有效的方法。移植的自身细胞一般具有特定功能，不仅可根据受损部位修复部分功能，而且可避免对身体毒性作用或应用传统的药物而引起的副作用[16]。MSCs已被广泛应用于修复骨缺损、软骨缺损、组织损伤、骨关节炎和股骨头坏死，在临床的其他领域也被应用[17]。

3.1髓芯减压和MSCs移植

髓芯减压是治疗早期股骨头坏死重要手术方法之一，主要是通过髓芯减压打通阻碍骨坏死修复的硬化带，来缓解股骨头内的高压环境，并改善骨坏死区的血液供应[18]。在髓芯减压后进行MSCs移植，可为坏死股骨头的修复与重建提供种子细胞，促进股骨头的修复重建和新骨爬行替代[19]。

Hernigou等[20]在芯减压基础上行自体骨髓移植治疗ONFH 116例189髋，所有患者术后平均随访7年，对于Ficat Ⅰ-Ⅱ期进行治疗的有145髋，其中仅有9髋需要再次手术行关节置换治疗;此外，对于Ficat Ⅲ-Ⅳ期进行治疗的有44髋，其中有25髋需要再次手术行关节置换治疗。研究人员认为，这种技术可以用来提高股骨头坏死区域的修复，至少在股骨头发生损伤的早期阶段是有明显疗效的。Rastoqi等[21]得出的结论同样是髓芯减压结合自体的BMMSCs植入是一种安全有效的方法。Cuervas-Mons等[22]对应用髓芯减压基础上植入BMMSCs治疗股骨头的效果进行评估，得出的结论是在治疗期间第2年改善髋关节功能和避免全髋关节置换占股骨头坏死病人总数的75.3%。

然而，上述结果是存在部分争议的。如Lim等[23]比较两组股骨头坏死治疗的临床效果和放射学结果：一组是应用多个钻孔髓芯减压联合干细胞移植，另一组是应用其他髓芯减压方法、刮除术以及骨移植。但得出的结论是两组数据间无显著统计学差异。

ONFH应根据患者年龄、病变分期、坏死位置和范围、塌陷危险性等进行个体化选择性治疗，需明确掌握ONFH的治疗原则，只有根据坏死的具体分期等采取相应的治疗方法才能获得最佳效果。关于早期阶段的股骨头坏死，在髓芯减压的基础上行BMMSCs移植已取得较好的手术效果;然而，对于晚期阶段的ONFH病人，此方法的疗效较差，在治疗时需慎重选择。一旦塌陷进入中或晚期阶段(塌陷的程度超过4 mm，且持续时间超过6个月)，则人工髋关节治疗是最佳选择[24]。

3.2骨组织工程技术和MSCs

组织工程技术是根据工程学原理和细胞生物学进行研究的，通过将体外培养的活细胞种植到具有良好生物相容性和可降解性的天然或人造的聚合物支架上，将其移植到有缺陷的组织或器官进行修复和重建[25]。该组织工程有三个主要组成部分：种子细胞、信号因子及支架材料[26，27]。理想的骨种子细胞应该具有以下几种特点：①是无特定功能的原始细胞，且结构相对简单；②很容易取材，很少对身体造成伤害;③体外培养具有较强的自我增殖能力，当在一定条件下可向特定方向分化;④具有自我更新能力；⑤能稳定表达成骨细胞表型;⑥治疗时植入后能够继续产生成骨活动;⑦无致瘤性[28]。

MSCs具有较强的分化潜能和增殖能力，且该细胞在来源、分离方式和分化组织类型等方面对修复ONFH骨缺损具有独特的优势，因此是骨组织工程种子细胞最为理想的选择[29]。由MSCs制成的复合支架植入后可以在结构上加强坏死缺损部位的修复，还可作为细胞、基因和生长因子的生物载体。此外，MSCs能整合细胞与受体进而调节细胞功能。在过去的研究中，装嵌有BMMSCs的骨基质支架能有效地刺激羊股骨头坏死模型的骨再生[30]。一些研究人员已经使用MSCs作为种子细胞在临床或实验中进行研究，并取得了非常成功的结果[31]。Kawate等[32]通过采用植入MSCs的β-磷酸三钙陶瓷材料和吻合血管的游离腓骨移植治疗股骨头坏死，早期观察到了骨组织再生，疾病得到控制，表明该组织工程方法对ONFH的治疗具有较好潜能。

骨组织工程快速发展为BMMSCs治疗ONFH带来了新的希望，骨组织工程可以构造一个坏死股骨头的三维结构,有利于新生毛细血管、周围组织和骨祖母细胞的长入[33]。此外，此种方法可改善生物材料的诱导能力，并为信号因子提供了良好的载体，更有效地使BMMSCs向目标组织成骨细胞分化。同时，利用支架以保证BMMSCs在骨坏死区域中具有较高浓度，进一步促进成骨[34]。但是，许多支架目前在研发过程中受诸多因素的影响，如成本高、技术不成熟等限制。因此，还需进一步研发及优化材料，使其更加安全，临床疗效更加明显。

3.3基因转染BMMSCs移植

对目的基因采用各种载体材料转入BMMSCs细胞内，并将其植入股骨头骨坏死区域的方法取得了令人振奋的结果。骨形态发生蛋白(bone morphogenetic proteins，BMP)可以促进骨形成及促进成骨异位。Xiao等[35]研究表明，应用重组BMP-2的BMMSCs培养的支架材料移植治疗ONFH是比较理想的选择。Tang等[36]研究表明，装载有BMP-2基因转导的BMMSCs多孔β-TCP对早期ONFH的治疗均优于其他方法。崔大平等[37]通过观察VEGF-165联合BMP-2体外修饰BMMSCs移植治疗兔股骨头坏死效果，得出的结论是这种细胞具有明显的成骨作用，能加快股骨头坏死的修复过程。

3.4MSCs动脉灌注

如上所述，ONFH指一系列病因引起的股骨头部分血液供应阻塞的病理过程。因此，改善股骨头的血液供应是治疗的主要方向之一。自体干细胞移植血管再生技术的存在为当前治疗股骨头坏死提供了更广阔的前景[38]。

MSCs对部分血管内皮具有保护作用，该细胞能明显加强血管内皮细胞的修复与再生，还可提高血管增生能力。 Kocher等[39]证实，MSCs与前体内皮细胞均可促进缺血动物模型的血流恢复。Kinnaird等[40]发现，向大鼠的缺血后肢肌肉注射体外培养的骨源性干细胞能促进侧支循环和肢体功能恢复，且与血管生成相关的细胞因子的基因表达的水平也增加了。MSCs的选择性动脉灌注可改善静脉血流，有效降低骨内压力，恢复和改善股骨头的血液供应，促进股骨头骨坏死区周围的血液循环，为股骨头坏死的早期恢复提供良好的环境。Mao等[41]对62例股骨头坏死的患者(78髋)经股骨头内侧旋股动脉进行BMMSCs灌注治疗，恢复率达92.31%(72/78髋)，只有6髋(7.69%)需要行人工髋关节置换手术，取得了满意的临床效果，最终得出MSCs动脉灌注治疗早期股骨头坏死是一种有效、安全的方法。

相比其他方法治疗股骨头坏死，干细胞的选择性动脉灌注为干细胞的存活和分化创造了一个良好的环境，该方法具有创伤小、无不良反应及患者依从性好等优点。

4总结

目前我国临床上应用BMMSCs治疗股骨头坏死较少，但随着分子和细胞生物学的迅速发展，BMMSCs等方面的研究也将逐渐加深，相信应用干细胞的基因转染和组织工程方面治疗ONFH将会有更为广阔的应用前景。但现研究的多能干细胞向成骨细胞或血管内皮细胞分化是目前BMMSCs治疗ONFH的唯一机制，而对于ONFH的各阶段的病理过程可在干细胞水平做进一步的研究。各种生物因子的研究将对干细胞具有支持和促进作用，能使其分化为成熟的MSCs。利用细胞外基质模拟体内微环境是一个热门的研究话题，为微创手术治疗股骨头坏死的治疗创建一个新的时代[42]。

目前，越来越多研究表明，用MSCs治疗股骨头坏死在病理的各个阶段都能起到一定的作用[43]。然而，有些方法本身仍然存在问题，例如，MSCs的来源相对有限，主要取自自体髂骨骨髓。另外，一些研究表明，股骨头坏死的过程中的MSCs的生存能力明显减弱，且骨髓性疾病是全身性的，而非局部性的[44]。

在今后的研究中，有关MSCs生物学特性的一些问题应该可以得到解决。例如，成骨的过程中，MSCs之间如何相互影响？BMMSCs的免疫表型及其作用是怎样的？来自不同来源的MSCs的分化潜能是一样的吗？MSCs经过多代重复培养其自我更新及多向分化潜能一样吗？移植骨的骨形成和正常的骨形成在组织学和生物力学方面有哪些不同 ？此外，在植入部位形成畸胎瘤的危险使MSCs的临床应用受到限制。虽然存在许多问题需要进一步研究，但经过研究努力MSCs肯定会广泛被应用于临床。

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[收稿日期：2015-11-22]

作者简介：康凯，男，1989-02生，在读硕士，E-mail：kangkai012105@163.com.

中图分类号：R68

文献标志码：A

文章编号：1007-6611(2016)02-0187-05

DOI：10.13753/j.issn.1007-6611.2016.02.022

基金项目：国家自然科学基金资助项目(31000433)