潘瑋敏，段春光，張明軍

（1.西安體育學院健康科學系，陜西 西安 710068；2.第四軍醫(yī)大學附屬西京骨科醫(yī)院，陜西 西安 710032）

脂肪間充質(zhì)干細胞治療運動創(chuàng)傷的研究進展

潘瑋敏1，段春光2，張明軍1

（1.西安體育學院健康科學系，陜西 西安 710068；2.第四軍醫(yī)大學附屬西京骨科醫(yī)院，陜西 西安 710032）

運動創(chuàng)傷的修復是運動醫(yī)學臨床實踐研究的熱點與難點。伴隨再生醫(yī)學的發(fā)展，干細胞治療技術(shù)已然成為修復運動創(chuàng)傷的新策略，尤其是脂肪間充質(zhì)干細胞（adipose derived mesenchymal stem cells； ADSC）由于其自身微創(chuàng)、大量獲取等優(yōu)勢備受青睞。本文主要介紹了當前ADSC在運動損傷研究領域的幾大熱點問題，并通過對近年實驗及臨床研究成果的總結(jié)，為ADSC在臨床實踐中的應用提供理論支持。

運動創(chuàng)傷主要是在體育運動過程中發(fā)生的疾病類型，其中急性閉合性軟組織挫傷最為常見。然而，隨著各運動項目的普及與發(fā)展，高難度、高強度及高刺激性的運動訴求使得較為嚴重的運動創(chuàng)傷，諸如骨折、關節(jié)軟骨損傷，肌腱、韌帶的損傷與斷裂的發(fā)生率逐年增高。這些創(chuàng)傷的愈后不良不僅阻礙了運動員的訓練及比賽，最重要的是可能對運動員的“運動生命”造成終身影響，某些運動員不得不終止自己的運動生涯。因而，對于上述運動創(chuàng)傷的治療，尤其是針對專業(yè)運動員的治療給運動醫(yī)學界提出了新的要求，因為運動員對于微創(chuàng)、愈合時間及效果的要求高于普通運動愛好者。

再生醫(yī)學技術(shù)的發(fā)展為研究者帶來了新的契機，其中干細胞治療技術(shù)成為了研究的重點。由于干細胞不僅具備多向分化潛能，而且可在損傷環(huán)境影響下定向誘導分化，即具備了可按損傷組織需求進行修復與再生的可能。眾多學者將關注點投注于骨髓間充質(zhì)干細胞（bone marrow derived mesenchymal stem cells；BMSC）的同時，卻發(fā)現(xiàn)BMSC的應用仍受到不少限制。其增殖能力易受患者年齡影響，傳代后易發(fā)生老化，且分泌生長因子能力下降。對于運動員來說，為獲取骨髓組織進行的骨髄穿刺，不僅具有創(chuàng)傷性，而且具有一定的風險。

近年來研究者證實，脂肪組織中存在的脂肪間充質(zhì)干細胞（adipose derived mesenchymal stem cells；ADSC）， 類 似 于BMSC具備自我更新與多向分化潛能，卻來源更加廣泛：自體微創(chuàng)取材、較為簡易；可大量獲得及免疫抑制等優(yōu)勢，為干細胞療法應用于運動創(chuàng)傷的修復再生提供了新的選擇。本文主要針對目前ADSC在運動創(chuàng)傷治療方面的研究進展做一綜述。

1 ADSC在運動性骨損傷治療中的應用

1.1 運動性骨損傷的特點

體育運動中，高能量創(chuàng)傷導致的骨折發(fā)生愈發(fā)常見，甚至開放性、復合性的大段骨損傷也可發(fā)生。這類骨折發(fā)生過程中不僅有直接或間接的暴力參與，肌肉的強烈收縮也參與其中，因此骨折部位周圍的血運狀況較差。采用傳統(tǒng)的復位及外固定技術(shù)的治療效果往往不佳，尤其對于較為嚴重的不規(guī)則性骨折、粉碎性骨折及關節(jié)部位等復雜骨折，易導致骨延遲愈合或骨不連的發(fā)生。另一方面，某些項目運動員由于長期從事高強度、持久性、頻率高的運動訓練，肌肉附著部位的應力和肌肉力量超過了骨的正常彈性限度常導致骨的“應力性損傷”，即“應力性骨折”。這類骨折的治療方法盡管簡單，然而實際往往由于運動員對于重返賽場的迫切訴求而發(fā)展為骨延遲愈合甚至骨不連。結(jié)合運動員對于愈合時間的要求以及訓練的實際需要，現(xiàn)今越來越多的研究將重點放在了應用骨再生醫(yī)學手段對損傷部位進行重建、修復。

1.2 ADSC結(jié)合生物支架在運動性骨損傷中的應用

由于ADSC類似于BMSC，具有向成骨方向分化的潛能，可通過微創(chuàng)手段即可獲得大量細胞數(shù)量，因而被認為是骨再生醫(yī)學中最佳的種子細胞來源之一。盡管有研究將ADSC直接注入骨折部位促進組織修復，但有實驗發(fā)現(xiàn)，ADSC與生物支架復合后更有利于ADSC的黏附、生長和分化，從而更有效地促進骨的再生。過去的十年間，很多研究應用了生物陶瓷、鈦合金、天然或合成的聚合物，以及天然或半合成的骨移植物與ADSC分別復合后，發(fā)現(xiàn)成骨效能可明顯提高。然而，盡管這些材料具有可變孔隙率，適宜的表面粗糙度，并可依據(jù)損傷部位進行制備的優(yōu)勢，但是較差的生物力學性能、較低的細胞黏附率等缺點制約了成骨效果的進一步提高。因此，學者提出ADSC與組合兩種或更多材料制備而成的支架復合，其成骨效能明顯優(yōu)于單一材料來源的支架。研究者們將ADSC種植于不同的生物復合支架材料后，應用于不同動物，包括股骨、顱骨等部位的骨折缺損修復，均取得良好的成骨修復效果。因而，Lendeckel S等在2004年臨床上首次將自體ADSC和自體松質(zhì)骨粒用纖維蛋白膠包繞去修復7歲小女孩的多發(fā)區(qū)域顱骨骨折。3個月后，病人無并發(fā)癥，并且CT檢查結(jié)果顯示，顱骨骨折區(qū)域新生骨生成且連續(xù)性良好。2009年，Mesim?ki等則應用人的ADSC結(jié)合重組人骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2（BMP-2）和β-TCP顆粒修復上頜骨大面積缺損，術(shù)后8個月的隨訪發(fā)現(xiàn)無嚴重并發(fā)癥，且骨缺損區(qū)域成骨效果良好。以上臨床實踐的成功大大推動了ADSC應用于骨再生工程。Sándor等則應用自體ADSC與負載重組BMP-2的可吸收支架（β-TCP混合生物活性玻璃制備）復合后用于治療23例大面積頜面骨缺損病患。85%病例術(shù)后獲得較好的骨重建效果，為臨床應用ADSC進行骨再生提供了強有力的證據(jù)。

2 ADSC在運動性關節(jié)軟骨損傷治療中的應用

2.1 運動性關節(jié)軟骨損傷的特點

關節(jié)軟骨是緩沖關節(jié)間震蕩，確保關節(jié)正常完成動作的重要結(jié)構(gòu)，因此在運動訓練中關節(jié)軟骨損傷的發(fā)生較為常見。一方面，在跳躍或籃球等對關節(jié)各方位運動要求較高的體育項目中，由于關節(jié)部位受力的突發(fā)性和復雜性，常造成關節(jié)軟骨的急性損傷。軟骨負重面的急性損傷會引起關節(jié)疼痛、腫脹和關節(jié)不穩(wěn)，可加速軟骨的褪變，影響關節(jié)的功能，嚴重影響運動員的運動訓練。而且，關節(jié)發(fā)生運動性損傷時，常合并關節(jié)周圍軟組織的損傷，改變了關節(jié)的正常穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)，使得關節(jié)正?；顒邮艿綐O大影響。當關節(jié)活動受限時，為關節(jié)軟骨提供營養(yǎng)運送的關節(jié)滑液由于關節(jié)內(nèi)壓力的改變，就不能達到全部的軟骨面，從而導致部分關節(jié)軟骨面發(fā)生退行性病變。研究早已證實關節(jié)軟骨中缺乏血管、神經(jīng)，自愈能力非常有限，即使是較小的關節(jié)軟骨損傷也可導致關節(jié)軟骨退行性病變的發(fā)生。另外，運動損傷中，一個關節(jié)面軟骨損傷后，往往與之耦合的另一關節(jié)面軟骨也會發(fā)生或繼發(fā)病變。因而運動員軟骨損傷后常出現(xiàn)多處且大面積的軟骨退化病變，而且病理改變會到達更大范圍，牽扯到其他部位，例如軟骨下骨、滑膜及腱周等，最終演變?yōu)閯?chuàng)傷性骨性關節(jié)炎，極大影響運動員的競技水平。但是，目前仍缺乏有效的治療方法。再生醫(yī)學手段的發(fā)展，為運動性關節(jié)軟骨損傷修復提供了新的曙光。

2.2 ADSC結(jié)合生物支架在運動性軟骨損傷中的應用

ADSC由于較易獲取以及可分化成軟骨細胞的特性而被應用于軟骨再生工程。前期研究已證實ADSC可與不同生物支架材料復合修復軟骨缺損。Masuoka等將ADSC種植于特制的膠原支架上修復兔的骨軟骨缺損。組織學結(jié)果顯示，缺損處填充了透明樣軟骨，并且高表達II型膠原。同樣，Dragoo等應用了纖維蛋白膠復合ADSC治療全層軟骨損傷，結(jié)果不僅發(fā)現(xiàn)透明樣軟骨組織再生而且軟骨下骨層也完全愈合。

盡管文獻報道中說，相比較BMSC，ADSC分化為軟骨細胞的能力較弱，但是研究者發(fā)現(xiàn)，這一缺點完全可以通過結(jié)合生長因子的方式得到解決，例如ADSC可與轉(zhuǎn)化生長因子（TGF-β2）、骨形態(tài)發(fā)生蛋白（BMPs）或高劑量的TGF-β2與IGF-I復合促進分化效率。然而，也有學者，發(fā)現(xiàn)生長因子的應用并未提高ADSC向軟骨細胞分化的效率。Im等將ADSC與富含TGF-β2和BMP-7的聚乙酸內(nèi)酯（PCL）可降解性支架復合修復兔軟骨缺損，結(jié)果卻顯示發(fā)生了排異反應，且缺損處填充非軟骨組織。因此，選擇何種生長因子，以及以何種方式、劑量等綜合作用于ADSC，提高其向軟骨方向的分化能力，將成為日后研究的重點。

在治療方案的選擇上，由于關節(jié)軟骨結(jié)構(gòu)的特殊性，更多的研究傾向于注射性療法。Pak等將濃縮的ADSC與透明質(zhì)酸（HA）、富血小板的血漿（PRP）、以及地塞米松混合注射入退化性骨性關節(jié)炎患者膝關節(jié)中，3個月后，患者主觀疼痛感及功能狀況明顯改善，MRI檢查結(jié)果提示，軟骨厚度明顯增加。最近，在Koh等的研究中，25例骨性關節(jié)炎患者被隨機分為治療組及對照組，其中治療組接受1次ADSC與PRP混合的注射，隨后2次的注射僅應用PRP，而對照組則一直應用PRP注射，術(shù)后兩組均未見明顯副作用。盡管平均16個月的治療隨訪的臨床檢查結(jié)果相似，但是治療組改善程度高于對照組。前期的研究結(jié)果為ADSC采用注射性手段應用于修復軟骨損傷提供了堅實的基礎，而這一點恰恰符合了運動員對于微創(chuàng)治療的主要訴求。

3 ADSC在運動性肌腱、韌帶損傷中的應用

3.1 運動性肌腱、韌帶損傷的特點

肌腱和韌帶是關節(jié)中控制運動和分擔負荷的重要結(jié)構(gòu)，二者皆屬于致密結(jié)締組織，主要由I型膠原纖維構(gòu)成基質(zhì)。但相對而言，細胞成分以及血管就較少。因此，二者的細胞及基質(zhì)的代謝緩慢，導致?lián)p傷后的愈合更為緩慢。運動訓練中，在運動強度、持續(xù)時間以及運動方式、動作不規(guī)范等情況下，肌腱韌帶的損傷及斷裂發(fā)生更為頻繁，繼而可能導致運動員關節(jié)運動能力的顯著變化并產(chǎn)生嚴重疾病，極大影響運動訓練水平。在長期較高強度運動訓練過程中，肌腱或韌帶可能都存在疲勞性損傷，如果適應良好，肌腱或韌帶的抗疲勞損傷能力增強。有研究表明，肌腱中細纖維的增加實際上是肌腱對疲勞性損傷的一種適應性改建。一旦適應不佳，疲勞性損傷逐漸積累，可發(fā)生肌腱韌帶的退變、慢性炎癥、腱周炎等改變，最終由于一些突發(fā)的狀況導致肌腱韌帶的斷裂。肌腱韌帶損傷愈合后往往會形成疤痕，它與肌腱韌帶的形貌、生物化學和生物力學不同。隨著時間的增加，疤痕組織可能呈現(xiàn)二者的一些特性。然而，不會發(fā)生功能上的完全再生。因此，組織再生醫(yī)學技術(shù)的介入使得受損肌腱韌帶結(jié)構(gòu)功能完全再生成為可能，為運動員的肌腱韌帶創(chuàng)傷恢復提供了全新的策略。

3.2 ADSC在運動性肌腱、韌帶損傷中的應用

較多的研究已經(jīng)證實ADSC可向骨、軟骨方向增生、分化，而關于ADSC應用于修復運動性肌腱和韌帶損傷的研究較為有限。究其原因，主要是由于ADSC向腱細胞方向分化的效率較為低下。所以，近年大多的研究關注在如何創(chuàng)造更為有力的外界環(huán)境誘導ADSC的分化。運動中作為傳導力的重要結(jié)構(gòu)，學者們推斷機械應力在ADSC向韌帶細胞分化的過程中起著關鍵的作用。Franco 等將ADSC 種植在透明質(zhì)酸支架上，同時給予動態(tài)牽拉，發(fā)現(xiàn)18天后ADSC開始向韌帶細胞方向分化，而且分化細胞分泌的細胞外基質(zhì)也和受力方向平行。Raabe O等則將馬脂肪組織來源的ADSC與I型膠原支架復合后，通過施加拉伸應力，生長分化因子（GDF5、GDF6、GDF7）和不同氧張力（3%與21%氧張力），以確定ADSC在體外向腱細胞分化的最佳條件。實驗結(jié)果顯示，與未施加任何力學刺激組相比，施加拉伸刺激組的ADSC很好的向腱細胞方向分化。也有研究發(fā)現(xiàn)，肌腱韌帶的細胞外基質(zhì)部分也對ADSC向腱細胞方向的分化具有促進作用。Little D等在體外將 ADSC與韌帶來源的基質(zhì)支架復合后發(fā)現(xiàn)，ADSCs不僅可分化為韌帶細胞，且效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)膠原支架。Yang等則在發(fā)現(xiàn)牛肌腱ECM能夠促進牛ADSC向肌腱細胞分化。2013年Schmitt等則使用人尸體去細胞的肌腱支架承載人ADSC應用修復無胸腺大鼠體內(nèi)的肌腱缺損，實驗結(jié)果顯示，ADSC不僅存活體內(nèi)4周，并且其分泌的I型/III型膠原纖維比率較肌腱支架組未見明顯改變，證實ADSC在體內(nèi)能夠維持長時間存活并向肌腱細胞分化，分泌I型膠原纖維。伴隨研究的深入，學者們發(fā)現(xiàn)采用將ADSC與肌腱細胞共培養(yǎng)的方式也可提高ADSC的分化效率。陸續(xù)，研究者們應用富血小板血漿（PRP），重組人血小板源性生長因子（rhPDGF-BB），軟骨來源的骨形態(tài)發(fā)生蛋白-1（GDF5）促進ADSC的分化，盡管相關詳盡機制還不甚清晰，但均取得良好的結(jié)果，提示改善外部分化環(huán)境可明顯提高ADSC向腱細胞的分化效率。

在體實驗中，Kryger 等比較了 ADSC、BMSC、韌帶細胞、鞘成纖維細胞修復韌帶缺損的能力，發(fā)現(xiàn)ADSC的增殖速度快于其他細胞，可為韌帶修復提供更多的細胞來源。Deng D等應用ADSC復合PGA/ PLA支架修復兔跟腱受損模型，術(shù)后12、21和45周發(fā)現(xiàn)實驗組修復跟腱的能力均明顯優(yōu)于對照組。這些研究結(jié)果為 ADSC在肌腱與韌帶修復方面帶來希望，但在機制相關通路的研究、提高分化效率等方面需要更多的實驗來證實，使之更適合臨床應用的需要。

4 結(jié) 論

綜上所述，脂肪間充質(zhì)干細胞（ADSC）的應用為運動醫(yī)學界將再生醫(yī)學技術(shù)施用于運動性創(chuàng)傷的治療提供了巨大的潛能與挑戰(zhàn)。為提高ADSC誘導分化的效率，也為臨床治療開辟新策略奠定了堅實的基礎。然而，還有諸多的問題，比如ADSC的分離純化以及培養(yǎng)等步驟如何標準化適應于臨床的操作、ADSC與生物支架材料復合體如何合理選擇優(yōu)化適于手術(shù)需要卻不引發(fā)并發(fā)癥均需要嚴謹?shù)那捌谂R床試驗進行驗證。但伴隨相關學科及技術(shù)的發(fā)展，ADSC的應用將會進一步優(yōu)化及標準化，為運動創(chuàng)傷提供一個更令人振奮的治療策略。

[1]鐘進聰，王震.大眾體育與競技體育運動損傷的成因及對策[J].廣州體育學院學報，2014，34（1）：109-111.

[2]劉長路，吳巖.干細胞移植治療脊髓損傷的研究進展[J].中國組織工程研究與臨床康復，2011（32）.

[3]常麗君.科學家發(fā)現(xiàn)神經(jīng)修復新機制[N].科技日報，2011.

G843

A

1674-151X（2014）09-111-03

2014-08-15

課題項目：國家自然科學基金項目（慢病毒載體介導的LMP-1／HIF-1a修飾的脂肪源性干細胞高效定向成骨分化的實驗研究）（編號：81201409）。

潘瑋敏（1974～），副教授，博士。研究方向：運動損傷治療與康復。