骨髓间充质干细胞移植在骨缺损病中的作用及骨伤科病中的应用进展

李应福 谢兴文 李 宁 徐世红 李鼎鹏

(甘肃中医药大学，甘肃 兰州 730000)

骨髓间充质干细胞移植在骨缺损病中的作用及骨伤科病中的应用进展

李应福 谢兴文1李 宁 徐世红1李鼎鹏1

(甘肃中医药大学，甘肃 兰州 730000)

骨髓间充质干细胞；骨缺损

目前在缺损处充填异体骨、自体骨、人工合成骨替代品等材料进行组织修复再生是临床治疗骨缺损最多的治疗方法，但由于各自存在的局限性导致其临床效果较差，同时一些骨科难治性疾病发生率也逐渐增高。因此如何能将缺损的骨组织进行快速、有效地修复，或将骨科领域中一些难治性疾病达到一个满意的疗效已成为修复重建及骨与关节外科领域需要探索与研究的亮点〔1〕。本文就骨髓间充质干细胞(BMSCs)在骨缺损病中及骨伤科病中的作用及应用、优势与不足作简要阐述。

1 BMSCs简述

BMSCs具有高度自我更新能力、弱免疫原性及良好的组织分化潜能〔2〕。在特定微环境的诱导条件下使BMSCs向脂肪细胞、软骨细胞、成骨细胞、肌腱细胞、韧带、神经和骨骼肌等增殖和分化〔3～5〕。同时发现损伤附近的成骨细胞分泌的多种生长因子可与BMSCs表面的受体结合，联合BMSCs的归巢作用使其到达组织损伤及缺损部位，参与机体缺损部位修复和加速周围细胞组织再生〔6〕。

2 BMSCs在骨缺损病中的作用

骨缺损是目前临床较为常见的病，因传统方法(自体骨、异体骨移植，人工合成骨等)不能满足患者的医疗效果需求，而BMSCs近年在这方面有了突破性的进展，越来越广泛的被医生及患者所接受。王鲲等〔7〕发现BMSCs移植治疗可提高缺损区的碱性磷酸酶含量，并加速缺损区的修复速度。周常艳等〔8〕用电钻将新西兰兔制成股骨滑车部直径5 mm的骨-软骨缺损模型，分别设实验组(植入BMSCs与磷酸钙骨水泥复合物)、对照组(植入单纯磷酸钙骨水泥材料)、空白组(不植入任何材料)，经对不同时间点的取材并摄X线片、生物力学检测及组织形态学观察，发现实验组新骨形成的速度和数量、骨标本抗弯曲能力的最大负荷和最大应力及成骨细胞与骨小梁出现时间均优于其他两组。该实验将磷酸钙骨水泥与BMSCs相结合，利用磷酸钙骨水泥具有优越的生物相容性及BMSCs释放的细胞因子可促进细胞不断成骨并加速材料的降解这一特性，顺利完成骨再生替代材料的复杂过程。景彩霞等〔9〕研究说明BMSCs的成骨作用可与同种异体骨的骨传导作用结合并加速下颌骨缺损的重建再生。同时也验证了骨诱导理论，即BMSCs在骨移植过程中不仅促进同种异体骨的成骨转化，且以一种加速剂骨诱导成分的存在，达到更好的骨修复和再生。韩操等〔10〕研究说明载体复合支架材料联合自体BMSCs植入处填加碱性成纤维细胞生长因子，的确能够加快骨再生，增强骨修复能力。无论是单纯自体BMSCs植入、联合同种异体骨植入、联合复合支架材料植入骨缺损处，还是自体BMSCs载体支架材料联合某一种特异性细胞生长因子植入骨缺损区域，均可使种植体与组织工程骨形成良好的骨结合与骨传导，能快速且安全的修复骨缺损。

3 BMSCs移植治疗骨伤科病的研究现状

BMSCs在特定的微环境条件下具有较强的定向分化潜能、良好的生物学活性和可自体移植等特点。通过大量的基础实验及临床试验研究表明BMSCs移植治疗在骨伤科疾病，尤其是近年高发生率且难治性疾病中显现出举足轻重的作用。

3.1 骨肿瘤 近年发现BMSCs与肿瘤发病机制有密不可分的关系，认为从BMSCs系恶变而来的某些分子会促进某些间质癌的进展，例如骨肉瘤，并且BMSCs可选择性的优先推动肿瘤转移至骨，使骨组织中存在大量的肿瘤干细胞和癌细胞〔11〕。正因如此，利用BMSCs自身独有的生物学特性，将BMSCs移植至肿瘤周围，其通过某些治疗因子经循环系统到达病变部位，这样既避免了上面所述BMSCs与肿瘤细胞发生直接接触从而加重病情，又能有效的抑制肿瘤生长与扩散〔12〕，这既减轻了患者的经济负担，又提高了其生活质量。

3.2 脊髓伤 众所周知，当人体神经系统受到损伤后，其相应结构及功能基本无法恢复，通过药物、手术及神经移植、基因治疗等多种疗法虽有一定程度的疗效，但都不能达到患者满意度。因此神经生物学联合BMSCs的研究慢慢发展且不断深入，从首次BMSCs植入大鼠中枢神经系统实验到目前大量成熟的BMSCs移植被诱导分化为神经样细胞的动物实验及临床试验。均证明脊髓损伤类疾病可通过BMSCs移植治疗来实现神经功能及神经系统相应结构的恢复〔13〕。Sakai等〔14〕观察BMSCs移植治疗动物脊髓损伤疗效，1 w后发现其步态显著改善，5 w后对损伤区域进行组织学观察，发现移植区有少量新生神经纤维束存在，说明BMSCs通过特定微环境可分化为神经细胞，并有效恢复神经功能。有研究报道，将自体BMSCs直接注射到5例急性完全性脊髓损伤患者的损伤部位，并结合粒巨细胞集落刺激因子定时注射，通过1.5年的随访，5例患者做MRI示：相邻断裂的脊髓有纤维束连接，且运动和感觉功能均有不同程度的改善〔15〕。Cantinieaux等〔16〕通过BMSCs移植后都可以促进脊髓损伤后的神经修复，改善运动功能，还发现其主要经过促进轴突生长、促进血管新生及保护神经轴突的途径进行缓慢修复。那么BMSCs移植是否可应用于脊髓损伤的任意一期呢？基于此问题，通过众多学者的不断研究与探索发现无论是基础实验还是临床试验都显示BMSCs移植治疗脊髓损伤在急性期和亚急性期作用明显，疗效突出；在慢性期几乎无治疗作用〔17〕。

3.3 股骨头坏死(ONFH) 目前，ONFH病因病理及发病机制尚未明确，限制了其治疗的准确性及有效性。近年来兴起的人工关节置换术虽然有明确疗效，但仍有很多争议〔18〕。那么对于年轻的ONFH人群面临翻修甚至再翻修是否是不可避免的趋势？随着对研究方式的探索和改进以及干细胞研究的发展，使更多的人相信ONFH的发病与细胞水平有密切的相关性。

BMSCs作为一种特异性的种子细胞，Asada等〔19〕直接将浓缩后的BMSCs植入坏死的股骨头区域，结果发现使ONFH发生率显著降低。王佰亮等〔20〕对45例非创伤性股骨头坏死患者采用含高浓度BMSCs的自体骨髓血结合髓心减压的方法治疗，结合Harris 评分和影像学观察，平均随访27.64个月，结果发现其治疗Ⅰ期股骨头坏死有效率为100%，Ⅱ期为87.5%，随着病情的加重其有效率逐渐降低，表明含高浓度BMSCs的自体骨髓血结合髓心减压的方法只适用于早期ONFH，对于中后期ONFH治疗效果相对较差，但在一定程度又起到防止股骨头塌陷或进展的作用。Wang等〔21〕对20例ONFH通过自体松质骨及BMSCs移植+髓芯减压的方法治疗，发现患者疼痛减轻，关节活动功能改善，疗效满意。目前越来越多的学者认识到磷酸钙骨水泥虽然在骨组织工程中被认为是一种优良的支架材料〔22〕，但由于对其生物力学硬度、强度及降解性能等方面不足的担忧，导致鲜有BMSCs联合磷酸钙骨水泥治疗ONFH的报道。而赵亮等〔23〕通过在磷酸钙骨水泥中加入可吸收纤维、chitosan液相和脐带基质组织的MSCs(hUCMSCs)微球成功构建了一种新型可注射强化型磷酸钙骨水泥复合物/脐带MSCs水凝胶微囊组织工程骨。其抗弯曲强度、断裂功及弹性模量均已达到或超过其他可注射骨生物替代材料及松质骨的力学强度，并且其内的hUCMSCs又具有良好的细胞活性和成骨分化能力，该组织工程骨将为治疗ONFH及骨修复领域等方面提供了可靠的保障。

4 BMSCs应用于骨科疾病的不足与展望

虽然BMSCs取材相对容易，无免疫排斥反应，被应用于临床多种疾病的治疗，是一种有前途的细胞替代治疗的靶细胞，但目前仍有一系列需要继续探索和发现的问题存在。由于其在骨髓中含量较低、提纯难度大，低BMSCs定向分化率及成本高等劣势〔24〕，这对其临床应用无形中造成壁垒；利用BMSCs治疗骨缺损时，如果在骨缺损区域直接注射BMSCs，由于自身血液冲洗很容易造成流失，导致其浓度降低、成骨作用减弱，修复速度也随之减慢，另外确保细胞拥有足够的氧气和养分，加快成骨作用，那么其与毛细血管的最适距离是多少？因此，寻求最佳传递途径及间距是保证良好疗效的关键；BMSCs 联合应用载药复合支架，其支架的材料、结构与材料中复合的生长因子通过改变哪些特征既能发挥主动修复功能，又具有“可调控生物响应”材料的特性〔25〕，BMSCs 联合不同生物材料的支架，其最佳生物支架的选取、支架孔隙大小及孔隙率是保证种子细胞的营养及在生物材料上分布均匀的重点，接种密度和初始有效浓度的多少直接影响成骨能力，这些问题仍需大量的基础实验和临床试验研究确定；利用水凝胶中 hUCMSCs 虽具有成骨作用及细胞活性，但缺乏增殖能力，因此在磷酸钙骨水泥固化后，如何使支架材料所需的种子细胞与水凝胶的快速降解释放细胞相匹配，需要更多学者进一步探索与研究。相信在不远的将来，BMSCs在临床治疗骨缺损、股骨头坏死、脊髓损伤等疾病，甚至更广领域中会给人们带来更多的喜讯与福音。

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〔2016-01-12修回〕

(编辑 袁左鸣)

国家自然科学基金资助项目(No.81460735)

谢兴文(1972-)，男，硕士生导师，主任医师，博士，主要从事中医药对骨伤疾病的研究。

李应福(1989-)，男，在读硕士，主要从事中医药防治骨伤疾病研究。

R-1

A

1005-9202(2017)03-0751-03；

10.3969/j.issn.1005-9202.2017.03.101

1 甘肃省中医院