富血小板血浆注射治疗在膝骨关节炎中的应用进展

邢亨特, 邱波

武汉大学人民医院骨科， 武汉 430060

骨关节炎是一种涉及关节损伤的退行性疾病，其病理特征包括滑膜病变、骨质增生、软骨退变和软骨下骨硬化等，最常累及膝关节，导致关节结构的进行性破坏。临床上以疼痛、肿胀、功能障碍为主要临床表现[1]。目前治疗KOA的药物，包括非甾体抗炎药、葡萄糖胺、硫酸软骨素、透明质酸(hyaluronic acid，HA)以及皮质类固醇激素(corticosteroids，CS)等，但这些药物的主要作用是缓解疼痛症状，不能控制病情，并且由于关节软骨自身再生恢复能力差，多数患者最终会发展至KOA晚期，需要手术治疗[2]。富血小板血浆(platelet-rich plasma，PRP)作为一种新型生物制剂，因其含有大量活性生长因子，并且能刺激细胞增殖分化，促进组织修复，已在骨骼、软骨和软组织疾病中广泛使用，现在更多地用于骨关节疾病，如骨关节炎、股骨头坏死以及软骨损伤[3-4]。

1 富血小板血浆(PRP)的概况

1.1 来源及生物活性

PRP是通过离心法从自体外周血中分离出来的血小板浓缩物(通常认为PRP的血小板含量是正常人血浆血小板含量的3～4倍以上)[5]。PRP含有丰富的生长因子和炎症调节因子，这些因子具有促进软骨细胞增殖、修复、促进Ⅱ型胶原和蛋白多糖生成、抑制炎症反应、抑制NLRP3/IL-1β通路和减少软骨细胞凋亡等作用[6-8]，并且没有免疫排斥反应，安全性高。

1.2 主要成分

血小板(platelet，Plt)是PRP的主要成分，其胞质中的α颗粒可以分泌一系列重要的生长因子，如转化生长因子(transforming growth factor-β，TGF-β)、血小板衍生生长因子(platelet-derived growth factor, PDGF)、血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor, VEGF)、表皮生长因子(epidermal growth factor, EGF)、胰岛素样生长因子(insulin-like growth factor-1，IGF-1)、骨形成蛋白(bone morphogenetic protein, BMP)等。TGF-β能够激活活化素受体样激酶(activin-receptor-like kinases-5，ALK-5)，通过Smad信号通路调节软骨终末分化，具有促进软骨细胞增殖以及分化的作用，诱导骨髓间充质干细胞(bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs)分化为软骨细胞，调节其他生长因子增殖，还可以抑制一些炎症因子的表达。PDGF可以促进成骨细胞增殖、趋化并增加胶原蛋白合成能力，刺激成纤维细胞增殖、趋化[9]；VEGF可以影响血管结构的再生和形成；EGF可以刺激内皮细胞增殖分化；IGF-1可以促进软骨细胞增殖和细胞外基质形成；BMP通过维持转录因子Sox9的表达来促进软骨细胞、成骨细胞的增殖、生长和分化。这些生长因子和血小板内存在的其他血浆蛋白共同作用，能够干扰各种炎症反应，刺激BMSCs增殖、迁移、向软骨细胞分化和基质合成，调节血管生成，促进内源性HA生成，提供利于软骨细胞增殖和软骨修复的三维环境[10]。

2 关节腔内注射PRP

2.1 基础理论及作用机制

大量研究证明PRP内所富含的多种生长因子具有能诱导BMSCs分化为软骨细胞，促进软骨细胞、成骨细胞增殖，调节生长因子表达，抑制炎症等作用，有修复软骨损伤和延缓KOA病情的可能。

2.1.1软骨的修复机制 有学者用PRP关节腔内注射治疗KOA，取得了显著的临床疗效。邱皓等[11]的动物实验表明关节腔内注射PRP可以促进Ⅱ型胶原合成，抑制基质金属蛋白酶13(matrix metalloproteinase，MMP-13)的表达从而抑制软骨基质的降解；同时，实验对象经PRP注射治疗后的第2、4、6、8、10周的组织学观察显示，受损部位的软骨和滑膜组织情况逐步好转，并且在第10周时均接近它们的正常形态，软骨组织Mankin评分也随治疗时间的推移逐步降低。这些均提示了PRP有促进软骨基质合成和软骨组织修复的作用。

2.1.2减轻关节内炎症反应机制 关节内促进组织修复和改善炎性环境是治疗KOA病的两个关键因素。其中，关节内的炎性环境对其治疗更为关键。炎性因子会破坏内环境的稳态，并增加组织修复的难度。因此，PRP的炎性调节作用能影响OA病情发展。根据研究显示，PRP中生长因子如IGF-1和PDGF通过抑制NFκB信号通路来抑制成纤维细胞和软骨细胞的激活，降低肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)和白介素(interleukin-1β，IL-1β)的合成，从而阻断滑膜和关节软骨的炎症反应[12]。同时，PRP通过降低滑液中炎性因子的浓度也有助于BMSC的迁移。这说明PRP可能通过抑制TNF-α和IL-1β的水平来减轻炎症反应，并且提供利于组织修复的内环境。

2.2 关节内注射临床应用

目前对于关节内注射PRP的疗效研究主要集中在与关节内注射其他药物的疗效对比。以往KOA的关节内注射治疗常用药物有CS和HA。生理盐水常用作安慰剂而无明显临床疗效；频繁使用CS可造成骨质疏松、软骨营养失衡和软骨磨损加重等不良影响，长此以往，弊大于利。故临床上常使用HA关节腔内注射达到润滑膝关节、减轻疼痛症状的目的，但也不能有效延缓关节软骨退变。而PRP关节内注射既能减轻症状，又能促进软骨组织修复，延缓病情进展。

2.2.1关节内注射CS治疗KOA Elksnins-Finogejevs等[13]将40例有症状的KOA患者(K&L Ⅱ～Ⅲ级)随机分为PRP组(20人)和CS组(20人)，PRP组关节内注射PRP，CS组关节内注射曲安奈德。分别于治疗前、治疗后1、5、15、30 d及治疗后1年，用视觉模拟评分法(visual analogue scale, VAS)、国际膝关节文献编制委员会膝关节评估表(international knee documentation, IKDC)和膝关节评分法(knee society score，KSS)评定膝关节疼痛程度和功能。结果显示,单次PRP或CS关节内注射是安全的，可以改善轻中度KOA患者的短期疼痛评分和膝关节功能(PRP组和CS组之间没有显著差异)。但在之后随访中，PRP组患者的受益持续时间长达30周，而CS组患者在治疗后第5周出现恶化的趋势。

已有研究显示，关节内注射PRP可以在短时间内减轻疼痛，效果类似于CS。而长期来看，PRP可以带来更有效的止痛效果以及更好的功能恢复，是CS不可能带来的疗效。更可能是PRP富含的生长因子的作用。

2.2.2注射HA治疗KOA Wu等[4]通过Mate分析发现膝关节损伤和骨关节炎结果评分(knee osteoarthritis outcome score， KOOS)在PRP和HA组之间没有显著差异，而PRP在IKDC评分、骨关节炎评分指数(Western Ontario and MacMaster Universities Osteoarthritis Index, WOMAC)和VAS评分方面优于HA。Cerza等[14]在随机对照试验中，将120名患者随机分为试验组(PRP组，共60人)和对照组(低分子量HA组，共60人)，每隔1周接受一次关节内注射，共接受4次，随访24周后发现PRP组临床效果明显优于对照组，WOMAC评分更低。Filadro等[15]对3组患者分别进行了PRP注射、低分子量HA注射和高分子量HA注射治疗，也显示PRP疗效优于HA。可见在缓解疼痛症状、改善关节功能等方面，自体PRP注射比HA注射治疗KOA具有更良好、更持久的疗效。

2.3 疗效影响相关因素

研究发现单次给药PRP就能改善低级别的KOA患者的疼痛，与3次或更多次的HA注射相比，在改善症状和生活质量上，单次注射PRP更具有优势[16]。Simental-Mendía等[17]对35例临床诊断为Ⅰ级和Ⅱ级骨关节炎(参照K&L分级)患者，随机分为两组：PRP单次应用组(18例)和PRP三联应用组(17例)在治疗后6、12、24、36和48周对两组进行评估，结果显示两种治疗方法均可显著降低VAS、总WOMAC评分。而在组间比较最终结果时，三联疗法有更好的改善效果，整体临床结果更佳。提示PRP不同注射方案可影响其疗效。同时患者的年龄、性别、BMI和关节退行性改变的程度等多种因素也能影响疗效，如多次注射PRP可以为低BMI和较轻程度退行性变化的患者提供更多益处[18]。

虽然在KOA患者关节内注射PRP的治疗指南以及患者的远期预后方面研究者尚未达成共识，但大量的现存研究显示关节腔内PRP注射疗法对KOA有明显疗效。

3 软骨下骨注射PRP

3.1 软骨下骨作为治疗OA靶点的重要作用

软骨下骨即钙化软骨远端的骨性成分，位于关节软骨矿化区的下方，与软骨形成关节软骨-软骨下骨复合单元。软骨下骨和肌肉、肌腱等其他关节周围组织共同减轻软骨所承受的负荷[19]。虽然钙化的软骨和皮质板是无孔隙结构，但研究显示了血管和通道是如何从软骨下骨到达软骨的，证明了关节软骨-软骨下骨之间的沟通存在。血管和通道的存在使得营养物质以及参与关节稳态的生长因子可以经软骨下骨转运到达软骨，发挥生物作用[20]。

KOA病理改变常为滑膜炎性病变和软骨下骨硬化，二者均会加速关节软骨的退变，并且彼此相互影响，形成恶性循环，最终使关节丧失功能[21]。因此我们有必要将软骨下骨认为是KOA众多发病机制和病理过程的基本因素之一，软骨下骨骨内注射PRP治疗，以软骨下骨为靶点，作用于软骨下骨、关节软骨以及滑膜，扩大了PRP的作用范围，研究认为可以将其用于治疗严重的退行性病变[22]。在KOA患者的关节中，上述的关节软骨与软骨下骨之间存在的血管和通道更为丰富。同时，关节内各组织间的稳态破坏会释放大量生长因子和炎症调节因子以恢复稳态，但由于组织间的交流和协同效应可能不再适合，反而会给机体带来不利影响。

KOA患者的关节内环境稳态破坏以及一些生长因子过度表达，如神经生长因子、TGF-β、VEGF等，这些因子在关节腔内以及软骨下骨之间弥散，破坏骨重塑过程，促进软骨降解，以及促进血管生成和交感神经的生长[23-24]。Li等[25]的研究表明在用含有适当浓度的TGF-β1的特殊软骨诱导体系的培养条件下，使BMSCs可以转化为软骨细胞，并且与正常软骨细胞无明显差异，同时能够合成Ⅱ型胶原和蛋白多糖。而细胞外基质中Ⅱ型胶原和蛋白多糖的降解，往往是导致关节软骨丢失并最终导致KOA的一个典型特征[26]。Tang等[27]研究发现，骨骼疾病如Camurati-Engelmann病即进展性骨干发育不良，会干扰骨重塑过程，并且动物研究表明高水平TGF-β可分泌大量成骨细胞，在骨吸收过程中TGF-β1通过SMAD信号通路诱导BMSCs迁移到骨吸收部位来协调骨形成，刺激增殖。但过表达的 TGF-β会释放过多的成骨细胞吸引BMSCs远离骨吸收点，使得骨吸收部位的BMSCs的可用性有限，因此在骨重塑期，破骨细胞持续作用，却没有伴随骨形成。可见OA患者软骨下骨中过表达的TGB-β会改变BMSCs的行为，扰乱骨重塑的过程。而在一般情况下，PRP可以调节OA患者软骨下骨中TGF-β的异常表达。

因此，我们的治疗不能仅针对关节软骨和滑膜，更应该将软骨下骨作为治疗OA的靶点，从而获得更好的临床效益。

3.2 PRP在软骨下骨注射中的基础理论及作用机制

软骨下骨内PRP注射，首先作用于软骨下骨，进而作用于关节软骨-软骨下骨复合体。有学者认为，关节内注射PRP只对轻度OA的患者有效，对于那些严重的OA患者没有明显效果，而软骨下骨内注射PRP对于严重的OA也有效。PRP直接浸润到软骨下骨，作用于该组织以及BMSCs，将这些细胞维持在PRP基质之中，并调节软骨下骨的修复过程，调节炎性环境，可以延迟KOA的病情进展，甚至可能对阻止KOA的进展有直接影响[28]。这种注射方式扩大了PRP的作用范围，使PRP发挥更广泛的作用，获得更好的效用。

3.2.1促进组织修复 Shen等[29]研究发现抑制软骨中的TGF-β表达会上调Runx2基因、MMP-13等因子的表达，MMP-13可以降解Ⅰ型、Ⅱ型胶原以及蛋白聚糖等多种底物，导致软骨退变，暴露软骨下骨。软骨下骨中成骨细胞在应力刺激下激活外信号调节蛋白激酶(ERK)信号通路，进一步表达MMP-13、IL-6从而促进软骨退变；同时，促进ERK信号通路后，可抑制p38信号通路介导的软骨细胞肥大与钙化，影响组织修复[30]。PRP内富含大量的TGF-β，可促进软骨细胞增殖以及分化，调节疾病相关基因和蛋白的表达，促进组织修复；同时PRP的调节作用有利于恢复和保持关节内环境的稳态，可以减少由于TGF-β过表达而导致的BMSCs行为异常，协调软骨下骨的骨重塑过程，对关节软骨-软骨下骨复合体之间血管和通道的生长也有利；此外，关节内稳态也可以避免或减少不受控制的组织纤维化或血管生成，而这又对停止或减缓病理进展具有关键作用。

3.2.2调节炎症 与关节腔内环境相似，在软骨下骨内注射PRP同样能够抑制软骨细胞、成骨细胞中的NF-κB信号通路，减少TNF-α和IL-1β的合成，从而阻断炎症反应，保护细胞和组织。此外，PRP中大量的内源性大麻素也可能作用于OA患者软骨细胞和滑膜细胞中大麻素受体1和2的配体，通过靶向内源性大麻素系统来减轻疼痛和炎症[31]。同时，体内研究显示PRP骨内浸润可以恢复衰老BMSCs的细胞潜能，增强其成骨能力，抑制氧化应激。软骨下骨内注射的PRP，直接对软骨下骨细胞产生积极的刺激作用。并且，因为软骨下骨和关节软骨之间存在相互交通，软骨下骨内注射PRP的疗效也会影响到关节软骨[21]。

3.3 软骨下骨注射的临床应用情况

虽然学术界尚未对PRP标准化治疗达成共识，软骨下骨注射PRP治疗KOA的临床研究更是处于起步阶段。但是随着软骨下骨在OA病情发展中的认识不断深入，以及对PRP在软骨下骨环境中的作用的深入研究，使得这种治疗方式成为研究热点。

3.3.1软骨下骨内注射PRP 软骨病变通常伴有软骨下骨改变或骨髓病变(bone marrow lesions, BMLs)，与关节退变和软骨病变相关的BMLs被认为是快速进展的OA的预测因子[32]。BMLs与OA的恶化以及患者疼痛的加重密切相关，虽然BMLs的确切发病机制尚不清楚，但软骨破坏产物引起的炎性反应导致软骨下骨髓炎微环境改变以及生物力学改变相关的微创性改变，可能有助于BMLs的形成[33]。Lychagin等[32]研究共纳入17例KOA患者(以K&L Ⅲ级为主)，对OA伴有BMLs的患者的患肢中骨内注射PRP随访一年后，研究数据显示基于VAS评分的疼痛明显减轻，患者的WOMAC评分和KOOS总分中也观察到明显改善；同时，与健康对照组相比较，实验组患者的血清软骨低聚基质蛋白(cartilage oligomeric matrix protein，COMP)水平最初有所升高，并在术后1～3个月内持续升高，在6个月和12个月时与3个月时相似。研究者认为注射PRP可以引起首次COMP合成增加，但这次研究并不足以将COMP的增加解释为骨软骨变性增加。同时，该实验短期的随访显示，患者的生活质量改善，疼痛减轻以及基本的MRI改变，研究人员后续仍在长期观察这些队列的患者并结合MRI图像做出分析。证明软骨下骨注射PRP治疗KOA是确有其效的。

3.3.2关节内联合软骨下骨内注射PRP 除了单纯关节内或单纯软骨下骨内注射PRP治疗KOA的方法外，有研究将两者相结合进行治疗，并取得了良好的疗效。苏柯等[20]的研究对比了关节内联合软骨下骨内注射PRP和单纯关节内注射PRP治疗KOA(K&L分级Ⅱ～Ⅲ级)的临床疗效，两组研究结果显示这两种疗法均能减轻患者的疼痛感，改善患肢功能，但关节内联合松质骨内注射PRP的方法治疗的KOA患者疗效更为显著，连续随访12个月的结果，VAS评分、WOMAC评分均优于对照组。Mikel等[22]研究表明关节内联合软骨下骨内注射PRP可减轻疼痛以及减少滑膜液中的BMSCs，能够显著改善严重的KOA患者的膝关节功能。已有多项研究显示OA的严重程度、关节损伤和病程的延长都增加了BMSCs的积累[34-35]。研究显示关节内联合软骨下骨内注射PRP能减少滑膜液中BMSCs的数量，而单纯关节内注射PRP并不能减少[36]。已有研究证明PRP在软骨下骨内发挥作用，对关节软骨能产生更为持久的组织修复效用，提升了对KOA的疗效。也对调节关节内炎性环境、恢复关节内环境稳态发挥了作用。

3.4 安全性评估

Sundaram等[37]对软骨下骨骨内注射治疗KOA的有效性和安全性做了一项系统回顾研究，评估KOA患者软骨下骨骨内注射骨替代材料和/或生物制品的结果，共有163名患者纳入其研究标准，随访期6～24个月，平均为18个月。总体研究数据显示VAS疼痛评分、KOOS、Tegner-Lysholm和/或IKDC评分都比基线评分有所改善。并且大多数患者在随访1年时仍无全膝关节置换术。虽然数据表明软骨下骨内注射PRP较为安全，但该项研究的这些患者的治疗实施和结果测量都存在高度异质性，存在很高的偏倚风险，后续仍需大量更完整的研究来证明PRP的安全性。可见软骨下骨注射骨替代材料和/或PRP有以下优势：①患者疼痛症状和功能有明显改善；②短期内关节置换率相对较低；③目前未见明显并发症发生。

4 展望

对于KOA患者来说，目前除了膝关节置换术外，尚无根治的办法，然而膝关节置换术对于年轻患者来说并不是一个理想的治疗选择，二次手术不可避免。PRP是从自体外周血中提取的富含多种生长因子和生物活性分子的物质，因其对于关节结构和功能的修复有着显著的积极作用，如能够显著改善症状以及不良反应少等，近年来成为治疗KOA的研究热点，并且已在肌腱损伤、软骨病变等方面表现出较好的疗效，研究人员希望用这种生物治疗的方式延缓甚至阻断KOA的病情进展，取代KOA的手术治疗。

目前PRP注射治疗已经深入到软骨下骨，作用于软骨下骨、滑膜和软骨，比单纯关节内注射PRP作用范围更广泛，能够更长时间地保留在软骨下骨中持续发挥作用，达到延缓甚至阻断KOA病情的目的。通过对比关节内联合软骨下骨内注射PRP和单纯关节腔内注射PRP治疗KOA的实验数据和疗效，可以看出PRP在软骨下骨中发挥了独特的生物效应，也证明了软骨下骨内注射PRP治疗KOA的有效性。但目前对KOA患者应用PRP疗效的研究主要集中在关节内注射PRP与注射其他药物对比，尚缺乏软骨下骨内注射PRP治疗KOA与其他药物注射的疗效对比，后续需要大量的相关实验来完善研究，确定软骨下骨注射PRP的适用人群和疗效。

此外，本文综述的研究对象大多都是K&L分级为Ⅱ、Ⅲ级的KOA患者，以后需要增加K&L Ⅳ级的KOA患者的对照实验，探讨PRP注射治疗是否对重度KOA患者也有显著疗效。