骨髓间充质干细胞治疗股骨头坏死的研究进展

谢志鸿 彭吾训

1贵州医科大学（贵阳550004）；2贵州医科大学附属医院骨科（贵阳550004）

股骨头坏死（osteonecrosis of femoral head，ONFH），又称股骨头缺血性坏死，是一种多因素致残性疾病，是造成青壮年致残的最常见疾病之一。在国内，每年新增ONFH 病例数高达约20 万例，给社会和无数家庭造成巨大的负担［1］。根据致病因素，ONFH 分成两类：创伤性股骨头坏死和非创伤性股骨头坏死。创伤性股骨头坏死的常见诱因为车祸伤、意外摔伤［2］；非创伤性股骨头坏死的常见诱因为长期大量酗酒、使用过量激素，较少见的诱因还包括有镰刀细胞性贫血、减压病、高脂血症、凝血功能异常等［3］。目前关于ONFH 的发病机制尚未完全清楚，主要有骨内压增高静脉淤滞学说、脂肪栓塞学说、微血管损伤学说、激素细胞毒性作用学说等［4］。较为公认的病理过程是上述原因都会导致股骨头的血液供应中断，导致骨细胞和骨髓成分坏死，继而导致骨坏死修复能力丧失，最终造成骨结构的改变，即股骨头的塌陷。由于ONFH的晚期难以实现保髋成功，如果能在ONFH 的早期及时进行干预，对于降低髋关节置换手术率，提高患者生活质量至关重要。当前ONFH 的诊疗主要根据ARCO 分期及患者自身情况决定，对于ARCO 分期为Ⅰ、Ⅱ期患者，主要采用制动与适当牵引、药物治疗、髓芯减压术、截骨术、带或不带血管的自体骨移植等方法，旨在减轻疼痛，延缓坏死的发生；对于Ⅲ、Ⅳ期股骨头塌陷明显的患者，往往采用人工髋关节置换术来解决患者髋部疼痛症状和下肢跛行问题［5-6］。随着干细胞医学的不断发展成熟，造血干细胞和间充质干细胞已逐步在临床上应用。由于骨髓间充质干细胞（bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs）免疫原性低、易于培养扩增、具有多向分化潜能等优点，使用BMSCs治疗ONFH 已经成为了基础实验及临床试验的研究热点。本文对BMSCs 治疗ONFH 的相关研究进行如下综述。

1 BMSCs 概述

骨髓间充质干细胞又称骨髓基质干细胞，是FRIEDENSTEIN 等从骨髓组织中分离出来的一种来源于中胚层的细胞亚群，形态上呈长梭形、纺锤形，它可以分化为骨骼、软骨或肌肉等器官和组织［7］。除骨髓外，BMSCs 还可以从脂肪组织、滑膜组织和脐带血等多种来源中分离出来［8］，目前大多数研究中BMSCs 的来源仍是骨髓组织。BMSCs 易于分离培养，在体外实验中，研究人员常通过提取兔或者鼠的股骨及胫骨的骨髓来分离培养BMSCs［9］，在临床上，手术医生通过在髂骨翼抽取骨髓组织来分离BMSCs；BMSCs 可以多向分化，在条件培养基中，BMSCs 可以向成骨、成软骨及成脂方向分化；BMSCs 还具有分泌功能，例如它可以分泌胰岛素样生长因子（insulin like growth factor-1，IGF-1）、血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）、白介素6（interleukin- 6）、基质细胞衍生因子1 等细胞因子（stromal cell-derived factor-1α，SDF-1α）［10-13］。

2 BMSCs 治疗ONFH 的方式

2.1 髓芯减压术结合干细胞移植在ONFH 的发生发展过程中，骨髓腔压力升高已被证实是引发骨组织成分坏死的原因之一，髓芯减压术是在影像系统辅助定位下采用克氏针朝股骨头坏死区钻孔，其原理是通过在一定程度上降低坏死区的骨内高压，同时经过髓芯减压钻孔后，可以清除坏死骨组织，为新生骨的形成创造有利的局部微环境。随着研究人员对BMSCs 的研究不断深入，以及考虑到BMSCs 在骨组织工程方面的良好生物学特性，BMSCs 移植与髓芯减压联合治疗ONFH的方法正在不断的衍生出来。在髓芯减压清除骨坏死病灶后，将各种方法收集得到的干细胞植入骨坏死部位。WANG 等［14］Meta 分析表明，与单纯髓芯减压术相比，BMSCs 移植联合髓芯减压术对坏死区的骨修复效果明显，并且可以降低远期髋关节置换手术率。WU等［15］对30例ONFH患者进行临床试验，通过测量患者术前-术后Harris 髋关节评分（HHS）及骨坏死修复效果的差异，术后随访9个月，观察到BMSCs 联合髓芯减压表现出了明显的效果，发现骨坏死修复率以及成骨分化的有关指标均升高。李磊等［16］通过对48 只新西兰白兔进行动物试验，对比髓芯减压术与BMSCs 联合髓芯减压术治疗ONFH 的差别，通过测量空骨陷窝率、骨小梁面积比及成脂相关指标，结果发现BMSCs联合髓芯减压治疗组，空骨陷窝率及骨小梁面积比均高于单纯的髓芯减压组，证实了BMSCs 联合髓芯减压对ONFH 的疗效。刘江锋等［17］对68 例ONFH 患者进行髓芯减压联合BMSCs 治疗，术后进行随访，随访的结果提示若能在ONFH 早期采用该手段治疗，股骨头塌陷率和髋关节置换率明显降低。该研究发现髓芯减压术联合干细胞移植术结合了减压术及干细胞两者的优点，与单纯减压术及其他保守治疗的术式相比，它可以明显延缓股骨头坏死的发展，降低中远期髋关节置换手术率。

2.2 血管介入结合干细胞治疗股骨头的局部血供中断导致的微循环障碍是发生骨坏死的重要病理过程。通过血管介入的方式，可以适当改善微循环障碍，为骨坏死的修复以及新骨的形成提供有利的局部微环境。CAI 等［18］采用血管介入方式将BMSCs 注入旋股内侧动脉，术后在不同时间点采用Harris 疼痛评分和关节功能评分评价疗效，结果发现，Harris 评分较术前显著升高，髋关节疼痛缓解明显，步行距离明显延长。MAO 等［19］收集62 例ONFH 患者，从患者髂嵴处抽取骨髓分离出BMSCs，然后在数字减影技术下将干细胞经旋股内侧动脉注入股骨头，术后随访5年，采用Harris髋关节评分评价对骨坏死的改善效果，术后髋关节功能改善明显，能够明显延缓ONFH 的发展。CHEN 等［20］收集脐带血来源的BMSCs，将干细胞注入患者的股动脉，术后进行随访，结果发现术后3 个月结束时HHS 评分开始增加，1年时升高最明显，但2年时较术前下降10%，此外骨坏死体积分析显示骨坏死体积随着术后时间的延长不断减少。这几项研究都表明经动脉注入干细胞是治疗ONFH 的一种有效方法，同时也表明，BMSCs 可以有效的作用于局部坏死区域。

2.3 生物支架材料结合干细胞治疗股骨头坏死区的重建一直以来是临床上的难题，随着骨组织工程学的快速发展，结合干细胞来源广、易分离培养、具有强大的分化潜能及扩增能力等优点，将干细胞在体外与生物支架材料复合培养，然后将复合支架移植到骨坏死区，对坏死区进行重建的方法已逐步应用于临床。BMSCs 联合支架材料治疗ONFH 的原理是利用它可以向成骨方向分化促进骨坏死的修复重建。支架材料的应用需要具备良好的生物相容性、适当的可降解性、一定的孔隙结构、适当的强度，甚至还应有良好的骨传导骨诱导功能。目前常见的支架材料有多孔钽棒、磷酸钙陶瓷、羟基磷灰石等。WANG 等［21］在实验中将磷酸钙陶瓷支架和BMSCs 复合培养，观察到成骨相关基因表达上调，碱性磷酸酶活性增加，骨钙素水平升高，将该支架与干细胞复合培养后植入体内出现了新骨形成。LI 等［22］制备了一种多孔明胶/纳米羟基磷灰石/明胶微球复合支架，与BMSCs 复合培养后，移植入股骨头中，结果表明，在体外实验中，该支架提高了干细胞的活力，上调了成骨有关基因的表达，在体内实验中，复合支架促进了激素性股骨头坏死模型中骨缺损区的骨形成，表明对股骨头坏死的修复起到了一定作用。ZHANG等［23］制备了一种含聚乳酸-羟基乙酸微球的新型磷酸钙支架，将BMSCs 与该支架复合培养后植入股骨头坏死区，术后进行X 线分析及组织学检查，观察到坏死区骨小梁数目明显增加，坏死区周围新生血管密度也显著增加，提示该复合支架在体内具有良好的生物相容性，并且可以促进体内成骨。

2.4 基因转染干细胞治疗研究表明股骨头坏死区成骨细胞数量减少、活性下降，以及血管内皮细胞功能障碍［24-26］。若能改善成骨及成血管功能，对于股骨头坏死区的损伤修复可以起到很大的帮助，而基因转染BMSCs 正是利用了这个原理。目前已发现许多与成骨或成血管有关的细胞因子，如VEGF、SDF-1α、骨形态发生蛋白（bone morphogenetic protein，BMP）、碱性成纤维细胞生长因子（fibroblast growth factor-2，FGF-2）等。YANG 等［27］将表达SDF-1α的慢病毒载体导入BMSCs 治疗激素性股骨头坏死模型时发现，SDF-1α过表达促进了BMSCs 的成骨分化，使成骨相关蛋白显著上调，经Micro-CT 检查观察到股骨头坏死区的骨密度值明显升高，血管造影技术观察到血管生成指标CD31 显著升高。LIAO 等［28］使用BMP2 和VEGF 共转染BMSCs 搭载在仿生支架上植入小鼠体内，术后4 周进行组织学及免疫组化分析评估疗效，观察到种植体上出现新生毛细血管及新生骨的形成。ZHANG 等［29］将FGF-2 转染BMSCs 后治疗大鼠激素性股骨头坏死模型，观察到成骨相关指标、血管密度、新生骨形成明显较对照组明显升高。这些研究表明基因转染BMSCs 治疗股骨头坏死是一项很有前景的治疗方法，但目前这类研究集中于动物实验中，能否应用ONFH 患者仍需要进一步的研究。

3 总结与展望

尽管ONFH 的发病机理尚未阐明，但有研究提示ONFH 的发生发展和BMSCs 的活性被破坏及数量减少有密切关系［30］。目前大多数保髋治疗措施主要集中在ARCO 分期的Ⅰ、Ⅱ期，而当ONFH患者的股骨头形态出现塌陷后，无法再采取保髋治疗措施，只能选择髋关节置换术治疗。

近些年以来，干细胞医学、骨组织工程学、基因治疗技术迅速发展，BMSCs 治疗ONFH 的研究在动物实验及临床中已经在广泛开展。将BMSCs应用于股骨头坏死的各类治疗方法都观察到了一定的效果，例如促进BMSCs 的成骨分化、抑制BMSCs 的成脂分化、促进骨坏死区的血管形成、新骨形成。但是在BMSCs 治疗ONFH 目前仍存在较多难题：（1）干细胞的来源和数量问题，髓芯减压术结合BMSCs 治疗ONFH 中的干细胞是从髂骨翼提取分离的，髂骨翼上能够提供的干细胞数目，以及股骨头坏死部位需要多少数量的干细胞才能达到修复的效果尚未明确；（2）干细胞的质量问题，由于股骨头坏死发生发展过程中，损伤因素长期存在，那么ONFH 患者自身来源的BMSCs 活性容易受损；（3）在血管介入灌注BMSCs 的治疗过程中存在干细胞丢失的问题，在股动脉或者旋股内侧动脉进行灌注时，能到达坏死区的干细胞的效率；（4）干细胞的存活率问题，体外实验中干细胞的生长环境不同于骨坏死区，干细胞移植到坏死区后由于局部微环境的不同，是否仍能大量存活；（5）安全性问题，干细胞植入人体后，持续增殖，是否产生致癌作用。若将基因转染后的干细胞植入人体，该基因是否会影响人体其他损伤修复的分子信号通路，从而影响人体安全，增加其他疾病发生的风险，甚至出现遗传改变。

尽管当前在干细胞治疗股骨头坏死的领域中出现了一些问题，但仍应肯定近年来，干细胞治疗股骨坏死的相关研究已经取得了巨大的进步。在未来，需要更多的基础研究和临床试验去探寻BMSCs 在治疗股骨头坏死中发生作用的分子机制，寻找干细胞的理想来源以及解决其安全性问题。相信随着细胞生物学、分子生物学以及组织工程技术的深入发展，BMSCs 有望为ONFH 的治疗提供新的见解和思路。