吳 琪，曹文東，何超鵬綜述，陳 鋮審校

0 引 言

骨性關(guān)節(jié)炎（osteoarthritis，OA）是一種以關(guān)節(jié)軟骨退行性變和繼發(fā)性骨質(zhì)增生為特征的慢性關(guān)節(jié)疾病，其發(fā)生發(fā)展是長期、慢性、漸進的病理過程，其發(fā)病機制復(fù)雜，目前尚未徹底闡明，其典型特征是軟骨退變，包括軟骨降解、關(guān)節(jié)滑膜纖維化、關(guān)節(jié)局部炎癥、軟骨下骨硬化、骨髓病變、骨贅形成等一系列的退行性病變，最終引起關(guān)節(jié)疼痛、僵硬、失用等行為功能障礙［1-2］。據(jù)國外流行病學(xué)統(tǒng)計OA 患病率在50 歲到60 歲的人群中已達50%，75 歲以上的老年人患病率高達80%，且隨年齡增長OA 呈進行性發(fā)展，晚期致殘率可高達53%，嚴(yán)重影響中老年人群的身體健康和生活質(zhì)量［3］。

間充質(zhì)干細(xì)胞（mesenchymal stem cells，MSCs）是一類從多種組織器官中胚層和外胚層分離培養(yǎng)的具有干細(xì)胞特征的多能成體干細(xì)胞，是干細(xì)胞家族重要的一類細(xì)胞類型，是最具代表性的成體干細(xì)胞，具有來源廣、多向分化能力、可塑性強、免疫原性低、可旁分泌多種生物活性因子和致畸致瘤風(fēng)險低等優(yōu)良生物學(xué)特點，在OA 和軟骨缺損的治療中具有重要意義［4］。目前MSCs對OA的治療作用可通過以下三種途徑實現(xiàn)：①分化為軟骨細(xì)胞，修復(fù)受損的軟骨組織；②分泌抗炎因子和營養(yǎng)因子促進軟骨前體化和去分化等來抑制軟骨組織破壞，減輕軟骨受損；③分泌抗炎因子，抑制關(guān)節(jié)腔內(nèi)巨噬細(xì)胞活性，降低炎癥因子釋放，從而抑制OA［5］。隨著軟骨組織工程的發(fā)展給OA 患者帶來了希望，利用組織工程技術(shù)修復(fù)磨損退化的軟骨研究及臨床應(yīng)用取得較大的突破。近年來MSCs 治療OA 飛速發(fā)展，本文就目前不同來源的MSCs 基礎(chǔ)實驗及臨床應(yīng)用在OA中的研究進展作一綜述。

1 可用于治療OA 的MSCs 種子細(xì)胞及其優(yōu)劣分析

骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（bone marrow mesenchymal stem cells，BM-MSCs）是最早被人類發(fā)現(xiàn)的干細(xì)胞，來源于發(fā)育旱期的中胚層和外胚層，在組織工程中的實驗研究及臨床應(yīng)用中十分廣泛，BM-MSCs 主要部位為髂嵴、脛骨或股骨，可通過骨鉆孔抽吸骨髓采集。從骨髓中分離的MSCs 具有易分離、易增殖和高分化潛能等優(yōu)勢，因此被眾多研究者認(rèn)為是組織工程最理想的種子細(xì)胞，已廣泛應(yīng)用于臨床，盡管如此，來自O(shè)A患者的BM-MSC不是軟骨組織修復(fù)策略的最佳來源，隨年齡增長，BM-MSCs 數(shù)量較少、增殖分化程度降低、病毒感染率增高，這種逆向關(guān)系使干細(xì)胞療法難以應(yīng)用于老年患者［6］。脂肪間充質(zhì)干細(xì)胞（human adipose-derive mesenchymal stem cells，AD-MSCs）是從脂肪組織經(jīng)過分離體外培養(yǎng)而成的具有多向分化潛能和自我更新的干細(xì)胞，脂肪組織來自于胚胎發(fā)育期間的中胚層并且廣泛存在于各種哺乳動物的全身各部位，AD-MSCs 的細(xì)胞表型與BM-MSCs 非常相似，一般通過脂肪抽吸術(shù)，該種方式對人體侵入性小，提取量多。其主要優(yōu)點在于組織來源豐富、易獲取，在向軟骨分化的培養(yǎng)中ADSCs 增殖更快，更能耐受缺血、缺氧的關(guān)節(jié)軟骨微環(huán)境引起的凋亡［7］。臍帶血間充質(zhì)干細(xì)胞（umbilical cord blood mesenchymal stem cells，UCBMSCs）和臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞（umbilical cord mesenchymal stem cells，UC-MSCs）存在于新生兒臍帶組織中的一種多功能干細(xì)胞，可從廢棄臍帶或臍帶血庫中獲得，能成功分化為包括軟骨細(xì)胞在內(nèi)的多種組織細(xì)胞，這種組織來源的MSCs 不僅保持了固有生物學(xué)特性，還表達出多種胚胎干細(xì)胞特有表面分子標(biāo)志，具有分化潛力大、增殖能力強免疫原性弱、取材方便、無道德倫理問題限制、易于工業(yè)化制備等優(yōu)勢［8］?；らg充質(zhì)干細(xì)胞（synovial mesenchymal stem cells，S-MSCs）通過關(guān)節(jié)鏡獲取，滑膜組織除可在健康人體內(nèi)獲取外，OA 或類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎患者也可成為其來源，滑膜組織含量豐富且可再生，S-MSCs在體外傳至十代以上仍保持良好的生長狀態(tài)，屬穩(wěn)定傳代的細(xì)胞系，且向軟骨分化方面極具潛力。在未來有可能成為軟骨修復(fù)領(lǐng)域的種子細(xì)胞［9］。Jones 等［10］報道了在OA 患者的關(guān)節(jié)液中發(fā)現(xiàn)了MSCs 的存在，之后又進一步研究，得出了早期膝關(guān)節(jié)OA 的關(guān)節(jié)液間充質(zhì)干細(xì)胞（synovial Fluid derived mesenchymal stem cells，SF-MSCs）將會增多的結(jié)論［11］。黃秋生等［12］認(rèn)為成人鼻腔呼吸部黏膜固有層內(nèi)廣泛存在MSCs，該細(xì)胞可在體外培養(yǎng)和擴增，并保持其干細(xì)胞特性和多向分化潛能，并稱之為鼻黏膜間充質(zhì)干細(xì)胞（nasal murine mesenchymal stem cells，NM-MSCs）。其中倍受人們關(guān)注的嗅黏膜干細(xì)胞（含有神經(jīng)干細(xì)胞和嗅鞘細(xì)胞）也是其中的一種。由于其具有向神經(jīng)元、神經(jīng)細(xì)胞分化的特性，多應(yīng)用于神經(jīng)修復(fù)等。但其在OA 治療及軟骨修復(fù)方面鮮有應(yīng)用。

2 不同來源的MSCs治療OA的臨床研究

2.1 BM-MSCsHeck等［13］發(fā)現(xiàn)了一種新的PPARd 激動劑HA 凝膠和BM-MSCs 的組合，可在人OA 滑液中形成Ⅱ型膠原分泌的功能型軟骨細(xì)胞。Xia等［14］發(fā)現(xiàn)LIPUS通過整合素-mTOR信號傳導(dǎo)途徑影響TGF-β 介導(dǎo)的軟骨形成分化。Qi 等［15］發(fā)現(xiàn)BMSC-Exos（BM-MSCs 外泌體）通過抑制p38 和ERK1/2的磷酸化以及刺激Akt信號通路的磷酸化而部分抑制這一過程。這在一種新的非細(xì)胞OA 治療方法中具有很大的潛力。目前BM-MSC 治療OA 的臨床研究中，關(guān)于細(xì)胞數(shù)量、注射次數(shù)對療效的影響仍存在爭議。Chahal 等［16］于2015 年4 月至2017 年12 月在加拿大進行了臨床試驗，研究12 例KOA 患者單次關(guān)節(jié)腔注射自體BM-MSCs（106，10×106，50×106）治療OA 的作用，結(jié)果顯示均可改善晚期OA 患者的被動關(guān)節(jié)活動度（PROM）和西安大略和麥克馬斯特大學(xué)OA指數(shù)（WOMAC），且BM-MSCs的濃度越高其軟骨保護作用，高劑量還顯示滑膜炎評分顯著降低。Gobbi等［17］通過對50例患有Ⅳ級膝關(guān)節(jié)軟骨損傷的患者進行HA-MSCs（含BM-MSCs 的透明質(zhì)酸C基支架）或微骨折治療，進行2 年（短期）和5 年（中期）的前瞻性觀察，發(fā)現(xiàn)微骨折或HA-MSCs 均可獲得積極的短期臨床療效，在中期隨訪時HA-MSCs提供了更好的臨床結(jié)局和更持久的軟骨修復(fù)。Legendre 等［18］誘導(dǎo)老年OA 患者的BM-MSCs 成軟骨分化時發(fā)現(xiàn)其干細(xì)胞標(biāo)記物非一致陽性且增殖潛能低，低氧環(huán)境中聯(lián)合應(yīng)用BMP-2 和TGF-β1 獲得了最好的軟骨細(xì)胞表型，使用RNA 干擾策略來阻止骨關(guān)節(jié)炎過程中軟骨主要標(biāo)志物的合成和蛋白酶的過度表達，從而改善軟骨形成譜系。

2.2 AD-MSCsTang 等［19］探討皮下或內(nèi)臟脂肪組織的AD-MSCs是否對OA 有同樣的改善作用時發(fā)現(xiàn)皮下脂肪組織來源的干細(xì)胞向軟骨細(xì)胞分化、抑制免疫反應(yīng)，是OA 細(xì)胞治療的有效細(xì)胞來源。Liu等［20］通過研究AD-MSCs的關(guān)節(jié)內(nèi)注射OA 小鼠膝關(guān)節(jié)腔發(fā)現(xiàn)，上調(diào)BMP9 蛋白表達可促進AD-MSCs 向軟骨方向分化，且AD-MSCs 通過Notch1/Jagged1 信號通路促進OA 關(guān)節(jié)軟骨修復(fù)。Ko 等［21］發(fā)現(xiàn)SOX-6，9轉(zhuǎn)染誘導(dǎo)AD-MSCs體外軟骨形成效果與生長因子處理相當(dāng)，且最佳劑量的SOX-6，9、AD-MSCs可延緩山羊手術(shù)誘發(fā)的OA 進展。Zhou 等［22］發(fā)現(xiàn)ADMSCs 通過自噬誘導(dǎo)減輕骨關(guān)節(jié)炎和軟骨細(xì)胞凋亡從而減輕大鼠OA 模型的骨關(guān)節(jié)炎。Spasovski 等［23］對9例診斷為OA的患者，單次注射0.5-1×107細(xì)胞的AD-MSCs 進行治療，隨訪18 個月并進行臨床評估、X線平片、MRI可視化等評分。前6個月臨床評分均有明顯改善，X線平片未見明顯改善或進一步退變。Jo 等［24］對18 例膝OA 患者分組給予關(guān)節(jié)腔內(nèi)注射低、中、高劑量組（依次為1×107、5×107和10×107）ADMSCs 進行兩年的臨床和結(jié)構(gòu)評估發(fā)現(xiàn)關(guān)節(jié)內(nèi)注射自體AD-MSCs 可改善膝關(guān)節(jié)功能，并可減少膝關(guān)節(jié)疼痛時間最長可達2年，與細(xì)胞劑量無關(guān)。Lee等［25］進行一項關(guān)于關(guān)節(jié)內(nèi)注射AD-MSCs 治療膝關(guān)節(jié)OA的療效和安全性的Ⅱb 期臨床試驗。單次AD-MSCs關(guān)節(jié)腔治療12 例（MSC 組），并與12 例膝關(guān)節(jié)注射等滲鹽水（對照組）進行比較，觀察6 個月。通過WOMAC評分及各種臨床和影像學(xué)檢查發(fā)現(xiàn)MSC組6 個月時的WOMAC 評分顯著改善，在MRI 上，MSC組6 個月時軟骨缺損無明顯變化，而對照組軟骨缺損明顯增多。

2.3 UCB-MSCsJeong 等［26］發(fā)現(xiàn)UCB-MSCs 可促進TSP-2 通過PKCA、ERK、p38/MAPK 和Notch 信號通路誘導(dǎo)的內(nèi)源性軟骨前體細(xì)胞的分化，從而促進軟骨再生。Gomez-Leduc 等［27］將UCB-MSCs 通過結(jié)合Ⅰ/Ⅲ型膠原海綿的3D 培養(yǎng)和誘導(dǎo)因子的培養(yǎng)方法進行軟骨細(xì)胞的傳代，之后進一步發(fā)現(xiàn)該培養(yǎng)方法應(yīng)在常氧條件下開始，以獲得更有效的軟骨細(xì)胞分化，然后將其置于缺氧中以穩(wěn)定軟骨細(xì)胞表型［28］。Li 等［29］將UCB-MSCs 與人關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞直接共培養(yǎng)，結(jié)果顯示細(xì)胞比例為5∶1時，具有誘導(dǎo)效率高、成本低、避免軟骨細(xì)胞發(fā)生去分化、可穩(wěn)定保持軟骨表型等優(yōu)點，在缺氧環(huán)境下UCB-MSCs 向軟骨細(xì)胞分化可避免軟骨肥大的發(fā)生。Park 等［30］首次以Cartistem 的藥用產(chǎn)品（同種異體UCB-MSC與透明質(zhì)酸水凝膠復(fù)合物）為基礎(chǔ)的OA 臨床試驗，并進行長達7 年的臨床觀察，研究表明新型干細(xì)胞藥物的應(yīng)用對骨關(guān)節(jié)炎膝關(guān)節(jié)中持久性關(guān)節(jié)軟骨的再生是安全有效的。

2.4 S-MSCsMatsumura 等［31］用IL-1β 預(yù)處理增強了S-MSCs的增殖和軟骨形成潛力。Kubosch等［32］在S-MSCs和軟骨細(xì)胞體外共培養(yǎng)的實驗中，發(fā)現(xiàn)軟骨細(xì)胞的旁分泌作用可誘導(dǎo)S-MSCs 產(chǎn)生軟骨表型并促進TGF-β 分泌，這種共培養(yǎng)方法具有軟骨修復(fù)功能。崔巖等［33］將OA 患者的關(guān)節(jié)液加入誘導(dǎo)后的SMSCs培養(yǎng)液中，發(fā)現(xiàn)OA關(guān)節(jié)液有促進S-MSCs軟骨分化后軟骨基質(zhì)合成的作用。Mak等［34］將分離出的具有軟骨形成能力的小鼠S-MSCs 注射到軟骨損傷后的小鼠關(guān)節(jié)內(nèi)中，發(fā)現(xiàn)經(jīng)Sca-1 純化的小鼠SMSCs在體外和體內(nèi)均具有向軟骨細(xì)胞分化的能力，可防止通常手術(shù)誘導(dǎo)的局灶性軟骨缺損后的關(guān)節(jié)退化。Ozeki等［35］發(fā)現(xiàn)定期關(guān)節(jié)腔注射S-MSCs可維持其活性并抑制大鼠OA 的進展。但目前鮮有關(guān)于S-MSC 治療OA 的臨床應(yīng)用文章報道，S-MSCs 治療軟骨損傷有諸多優(yōu)越性，顯示出其理想的應(yīng)用前景，但應(yīng)用S-MSCs治療損傷軟骨組織的安全性和可行性還有待更廣泛研究證實。

2.5 SF-MSCsJia 等［36］使用MSC 表面標(biāo)記CD90進行了磁激活細(xì)胞分選（MACS）成功地純化了SFMSCs，且在微團培養(yǎng)中也能產(chǎn)生軟骨組織，之后進一步探究兔SF-MSCs包裹在可注射性殼聚糖基水凝膠中修復(fù)兔股骨髕骨溝槽軟骨缺損的能力時，發(fā)現(xiàn)這一新策略能有效促進全層關(guān)節(jié)軟骨再生修復(fù)軟骨缺陷［37］。Ou 等［38］通過在SF-MSCs 中的過表達lncRNA ZBED3-AS1，上調(diào)ZBED3 的表達通過Wnt 通路增強了修復(fù)軟骨細(xì)胞的潛力。Garate 等［39］評估了PRP∶SF 體積比為3∶1，1∶1 和1∶3（體積/體積）的SFMSCs 與富血小板血漿（PRP）混合制備透明質(zhì)酸生物支架，其中PRP-SF 比率為1∶3 的配方比其他配方表達更多的Ⅱ型膠原，且固化細(xì)胞分泌uPA 和降解形成的纖維蛋白凝塊降低了SF-MSCs的纖溶能力和生物支架提供的軟骨分化潛能。Neybecker 等［40］發(fā)現(xiàn)晚期OA 患者來源的SF-MSC 的具有干細(xì)胞特性，且在膠原海綿與誘導(dǎo)因子（單獨的TGFβ1 或與BMP2 組合）共同作用下表現(xiàn)出良好的成軟骨和細(xì)胞外基質(zhì)合成的能力，但在SF-MSCs 的關(guān)節(jié)內(nèi)注射對OA 大鼠的關(guān)節(jié)病變未產(chǎn)生任何有益或有害的影響。

2.6 其他來源的MSCs

2.6.1 UC-MSCsFernandez-Pernas 等［41］從UCMSCs 經(jīng)球形細(xì)胞定分化為軟骨細(xì)胞樣細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)5-三碘-L 甲腺原氨酸（T3）在一定程度上通過SRC2介導(dǎo)刺激軟骨形成過程而不刺激肥大，且T3的成軟骨作用是通過Wnt途徑獨立于LRP5/6 組分調(diào)控的。Ding 等［42］證明hUC-MSCs 對碘乙酸一鈉（MIA）誘導(dǎo)的小鼠關(guān)節(jié)軟骨損傷具有保護其免受MIA 誘發(fā)的軟骨細(xì)胞凋亡。Matas 等［43］在膝關(guān)節(jié)OA 患者Ⅰ/Ⅱ期試驗中隨機分為3 組，分別于對照組（（HA）、單次組（UC-MSC×1 次）、重復(fù)組（UC-MSC×2 次）6 個月。12 個月后進行WOMAC 評分和疼痛視覺評分、MRI評分，在隨訪1 年，發(fā)現(xiàn)重復(fù)組較單次UC-MSC 及透明質(zhì)酸治療OA 膝關(guān)節(jié)為膝OA 患者帶來了良好的安全性和改善了長期疼痛的臨床效果。

2.6.2 NM-MSCsGe 等［44］通過SDS-PAGE 和LCMS 研究OM-MSC 的分泌蛋白組。共鑒定出274 種分泌蛋白。已知這些分子在神經(jīng)營養(yǎng)，血管生成，細(xì)胞生長，分化和細(xì)胞凋亡以及炎癥中是重要的，這表明OM-MSC 移植可顯著改善OA 的進展。雖然目前NM-MSCs具有大量優(yōu)點，但其跨胚層分化為透明軟骨細(xì)胞的基礎(chǔ)實驗及治療OA 的應(yīng)用，國內(nèi)外均極少。

3 結(jié)語與展望

MSCs 治療OA 及軟骨修復(fù)是近年來臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究熱點，MSCs對膝關(guān)節(jié)軟骨修復(fù)已表現(xiàn)出明顯的治療優(yōu)勢，從臨床上初步研究了不同來源的MSCs 膝關(guān)節(jié)軟骨修復(fù)療效，其來源豐富，各具一定的優(yōu)勢和局限性，在軟骨修復(fù)中發(fā)揮著重要的作用。目前臨床研究仍處于試驗階段，用于OA 治療的3 種主要方式修復(fù)：①直接關(guān)節(jié)內(nèi)注射MSCs；②手術(shù)植入含有MSCs 的支架復(fù)合體；③MSCs 外泌體通過旁分泌修復(fù)軟骨、減緩OA 進展。尚無確切定論何種干細(xì)胞及何種技術(shù)處理最適合于人類軟骨的修復(fù)，這需要大規(guī)?；蚪Y(jié)合新處理技術(shù)的臨床試驗以及遠期臨床效果的驗證，也為今后臨床的深入研究提供基礎(chǔ)。比較BM-MSCs、AD-MSCs 來說，滑膜、臍帶血以及其他如牙髓、鼻黏膜等組織來源的MSCs在臨床研究中尚不多，未來需要對這些干細(xì)胞進行更多的臨床試驗以評估其是否適合人類關(guān)節(jié)軟骨的修復(fù)及OA 治療。同時，要增進對MSCs 生物學(xué)功能更深層次的認(rèn)識，尤其是其作用機制，繼續(xù)探索更適于修復(fù)軟骨和治療OA 的天然或人工合成支架材料以及促進軟骨修復(fù)的生長因子，使新生軟骨更接近自體軟骨的生物學(xué)和機械特性。通過對這些問題的進一步研究，挖掘MSCs 治療OA 的臨床最佳方法，這對未來骨科領(lǐng)域發(fā)展有重要的臨床價值。近年來，以干細(xì)胞、精準(zhǔn)醫(yī)療為核心的再生醫(yī)學(xué)，已成為繼藥物治療、手術(shù)治療后的另一種疾病治療途徑，國內(nèi)外干細(xì)胞已被應(yīng)用至膝OA 的治療中，隨著臨床研究的進一步發(fā)展，相信廣大OA 患者能從中改善疼痛等癥狀、延緩OA進展。