袁銀鵬，王新軍，王宇澤

山西醫(yī)科大學(xué)，太原030001

股骨頭壞死(ONFH)是一種臨床常見病和多發(fā)病，治療難度大，且發(fā)病率逐年升高，在我國(guó)，15歲及以上普通人群中約有812萬(wàn)人患有非創(chuàng)傷性股骨頭缺血壞死(ANFH)，各種創(chuàng)傷進(jìn)一步提高了ANFH的發(fā)生率。臨床表現(xiàn)為患者患側(cè)下肢疼痛難忍，活動(dòng)受限，嚴(yán)重影響患者的學(xué)習(xí)、工作和生活。目前，有關(guān)ONFH形成因素的假說(shuō)很多，但確切機(jī)制尚不清楚，公認(rèn)的有長(zhǎng)期大量飲酒、長(zhǎng)期大劑量使用糖皮質(zhì)激素、車禍傷、老年人意外摔傷等多種因素。研究普遍認(rèn)為，以上這些病因?qū)е鹿晒穷^內(nèi)高壓或股骨頭內(nèi)營(yíng)養(yǎng)血管堵塞，從而導(dǎo)致血液供應(yīng)不足，最終發(fā)展為ONFH[1]。由于股骨頭內(nèi)部血液供應(yīng)中斷，導(dǎo)致骨組織細(xì)胞死亡，并出現(xiàn)腔隙，隨著時(shí)間的推移，與骨細(xì)胞死亡相關(guān)的水腫增加了局部骨間壓力，并影響血運(yùn)重建，致使破骨細(xì)胞骨吸收與成骨細(xì)胞骨形成出現(xiàn)不平衡，進(jìn)而降低了修復(fù)界面小梁骨的力學(xué)性能，導(dǎo)致骨小梁在正常負(fù)荷下微骨折發(fā)生，最終導(dǎo)致股骨頭不可逆塌陷。目前，ONFH尚無(wú)特異性的臨床治療方法，主要治療措施依據(jù)ONFH的臨床分期及患者情況而定。對(duì)于Ⅲ期和Ⅳ期，股骨頭塌陷嚴(yán)重、髖關(guān)節(jié)毀損且嚴(yán)重影響生活質(zhì)量的患者，主要治療方法是髓芯減壓術(shù)[2]、自體髂骨打壓植骨[3]、人工關(guān)節(jié)置換術(shù)[4]。對(duì)于Ⅰ期和Ⅱ期的早期ONFH，股骨頭輪廓良好、未塌陷或尚未發(fā)現(xiàn)明顯塌陷者，主要以高壓氧、體外沖擊波、脈沖電磁場(chǎng)、限制負(fù)重、口服藥物、針灸等方法治療，但其治療效果有限。隨著組織工程技術(shù)的發(fā)展，在ONFH區(qū)域移植骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞 (BMSCs)已成為ONFH治療研究的熱點(diǎn)?，F(xiàn)就BMSCs治療ONFH的研究進(jìn)展綜述如下。

1 BMSCs的生物學(xué)特性

BMSCs是骨髓間質(zhì)中的成纖維樣細(xì)胞，從骨髓分離并在體外培養(yǎng)的BMSCs形態(tài)主要為梭形或紡錘形，核質(zhì)比大。BMSCs是干細(xì)胞家族中的一員，具有干細(xì)胞的共性，即培養(yǎng)過(guò)程中貼壁生長(zhǎng)、能自我更新、增殖能力強(qiáng)；體外條件培養(yǎng)基中，能被定向誘導(dǎo)分化成成骨細(xì)胞、成軟骨細(xì)胞、成脂肪細(xì)胞、神經(jīng)元細(xì)胞等；體內(nèi)應(yīng)用干細(xì)胞治療組織缺損損傷時(shí)，干細(xì)胞可以向局部相應(yīng)的組織遷移并分化為局部組織特定細(xì)胞，進(jìn)而起到修復(fù)功能[5]。體外培養(yǎng)的BMSCs表型鑒定證實(shí)，BMSCs表面標(biāo)志物表達(dá)CD105、CD73、CD90，不表達(dá) CD45、CD34、CD14、CD11b、CD79a、CD19、HLA-DR等[6]。

2 ONFH的發(fā)病機(jī)制

盡管ONFH的確切病因以及相關(guān)機(jī)制尚未清楚，但目前普遍認(rèn)為ONFH是由各種因素共同導(dǎo)致股骨頭營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)中斷的結(jié)果，由于ONFH像極了心臟缺血的狀態(tài)，所以有時(shí)被稱為“髖關(guān)節(jié)冠狀動(dòng)脈疾病”[1]。當(dāng)股骨頭內(nèi)部營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)中斷后，局部骨組織微環(huán)境也隨之發(fā)生變化，導(dǎo)致骨組織細(xì)胞死亡，引起局部水腫，局部骨間室壓力增加，并進(jìn)一步抑制股骨頭壞死局部血液營(yíng)養(yǎng)的供應(yīng)[1]。而死亡的骨組織促進(jìn)了破骨細(xì)胞活性增強(qiáng)，進(jìn)而提高局部壞死骨組織的清理，從而破壞破骨細(xì)胞促進(jìn)骨吸收與成骨細(xì)胞促進(jìn)骨形成之間的平衡，降低了修復(fù)界面小梁骨的力學(xué)性能，正常負(fù)荷下發(fā)生小梁骨折，導(dǎo)致股骨頭不可逆塌陷[1]；同時(shí)，ONFH區(qū)域BMSCs干性相關(guān)基因表達(dá)明顯降低、成骨能力顯著下降而成脂能力卻明顯增強(qiáng)[7]。這使得股骨頭內(nèi)BMSCs增殖分化為骨組織修復(fù)骨壞死區(qū)域的可能性極低，由此，外源性BMSCs治療ONFH改善局部微環(huán)境逆轉(zhuǎn)病情成為治療早期ONFH新策略。

3 BMSCs治療早期ONFH的機(jī)制

3.1 BMSCs調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞功能 破骨細(xì)胞能在金屬基質(zhì)蛋白酶(MMP)的協(xié)助下高效溶解羥基磷灰石晶體、分解膠原纖維，促進(jìn)骨基質(zhì)吸收[8]。而BMSCs在調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞的功能活性方面有重要作用。破骨細(xì)胞主要源于骨髓造血干細(xì)胞，其細(xì)胞膜上存在RANK受體，在周圍環(huán)境中主要受到核因子-κB受體活化因子配體(RANKL)/核因子-κB受體激活子(PANK)/骨保護(hù)素(OPG)軸(RANKL/RANK/OPG軸)的調(diào)控，RANKL和OPG相互競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合破骨細(xì)胞膜上的RANK受體，進(jìn)而調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞分化成熟方向[8]。RANKL主要由骨細(xì)胞、T細(xì)胞和B細(xì)胞分泌，當(dāng)其與RANK 受體結(jié)合后激活NF-κB通路促使破骨細(xì)胞分化成熟[8]。此外，巨噬細(xì)胞集落刺激因子 (M-CSF)在促進(jìn)破骨細(xì)胞分化成熟過(guò)程中發(fā)揮重要作用。相反，當(dāng)OPG結(jié)合 RANK受體，破骨細(xì)胞的分化將會(huì)受到抑制，進(jìn)而影響破骨細(xì)胞的成熟。在正常生理狀態(tài)下，將BMSCs與破骨前體細(xì)胞共培養(yǎng)時(shí)可以促進(jìn)破骨細(xì)胞分化成熟[8]，而M-CSF和RANKL可以劑量依賴性方式增強(qiáng)BMSCs促進(jìn)破骨細(xì)胞發(fā)育成熟[9]。

BMSCs除了促進(jìn)破骨細(xì)胞成熟外，亦能抑制破骨細(xì)胞的形成。當(dāng)成骨細(xì)胞系的條件培養(yǎng)基(htROSCM)中加入BMSCs時(shí)，破骨細(xì)胞的形成則受到抑制。有研究證實(shí)CD200+的 BMSCs 群體表現(xiàn)出很強(qiáng)的抑制破骨細(xì)胞形成的作用[8]。BMSCs主要通過(guò)OPG的表達(dá)調(diào)控來(lái)抑制破骨細(xì)胞形成，ONFH發(fā)生過(guò)程中，破骨細(xì)胞吞噬骨組織導(dǎo)致局部骨質(zhì)丟失或形成骨缺損，而啟動(dòng)自體BMSCs修復(fù)骨缺損時(shí)，在修復(fù)區(qū)OPG表達(dá)明顯增加，抑制破骨細(xì)胞活性，加強(qiáng)成骨細(xì)胞的功能[10]。此外，外源性給予BMSCs治療ONFH時(shí)，能顯著升高OPG水平從而抑制破骨細(xì)胞活性[10]。

3.2 BMSCs向成骨方向分化填補(bǔ)骨缺損 BMSCs高度的分化潛能遷移至骨缺損部位，我們稱之為“干細(xì)胞的歸巢”，干細(xì)胞歸巢到局部后依靠其高度的增殖分化能力分化為成骨細(xì)胞，填補(bǔ)缺損[11,12]。有證據(jù)表明，MSC亞群可能具有不同的特征和再生潛能，并且不同的亞群具有促進(jìn)成骨細(xì)胞或軟骨細(xì)胞分化的不同潛能[13]。與表面標(biāo)記物CD105表達(dá)量高或未表達(dá)CD105的BMSCs相比，表面標(biāo)記物CD105表達(dá)量低的BMSCs在成骨分化和骨再生方面作用更強(qiáng)，這種作用可能是由于TGF-β1/Smad2信號(hào)因子表達(dá)量降低有關(guān)(CD105表達(dá)量高會(huì)持續(xù)增加TGF-β1/Smad2信號(hào)因子的表達(dá)而降低BMSCs在成骨分化和骨再生方面的作用)[14]。進(jìn)一步研究認(rèn)為CD105陰性細(xì)胞比CD105陽(yáng)性細(xì)胞表現(xiàn)出更強(qiáng)的酸性分泌蛋白表達(dá)，富含半胱氨酸(SPARC)和骨連素，這能更加有效地促進(jìn)鈣沉積而促進(jìn)骨再生[15]。

3.3 BMSCs的分泌功能促進(jìn)ONFH區(qū)血管形成 目前普遍認(rèn)為，ONFH發(fā)生的根本原因是各種致病因素導(dǎo)致股骨頭內(nèi)部營(yíng)養(yǎng)血管供應(yīng)障礙。如果改善局部血供提供營(yíng)養(yǎng)將能逆轉(zhuǎn)ONFH病情，促進(jìn)壞死區(qū)骨再生修復(fù)。Wang等[8]研究發(fā)現(xiàn)，在誘導(dǎo)培養(yǎng)基中進(jìn)行干細(xì)胞誘導(dǎo)培養(yǎng)時(shí)，BMSCs能向血管內(nèi)皮細(xì)胞分化。同時(shí)，體外和體內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，部分藥物或生物材料能誘導(dǎo)BMSCs向血管內(nèi)皮細(xì)胞方向分化，如雙相磷酸鈣陶瓷、辛伐他汀[16]，它們聯(lián)合BMSCs能使ONFH骨壞死區(qū)域發(fā)生血管再生，為缺血壞死區(qū)提供營(yíng)養(yǎng)，進(jìn)而促進(jìn)骨再生。該研究對(duì)于早期ONFH的治療有重要意義，而臨床治療卻未達(dá)到我們所理想的效果，這或許是體內(nèi)存在某些抑制壞死區(qū)再血管化的物質(zhì)而導(dǎo)致血管生成效率低，因此仍需進(jìn)一步研究。

4 BMSCs治療ONFH的相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究

目前，多種干細(xì)胞應(yīng)用于ONFH治療研究中，如脂肪間充質(zhì)干細(xì)胞，臍帶干細(xì)胞和BMSCs等，其中BMSCs最為常用[17]。研究發(fā)現(xiàn)，體外培養(yǎng)條件下，脂肪間充質(zhì)干細(xì)胞和BMSCs均能促進(jìn)成骨細(xì)胞分化，前者促成骨分化能力更強(qiáng)，但體內(nèi)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，脂肪間充質(zhì)干細(xì)胞治療ONFH的臨床效果卻明顯低于BMSCs，該結(jié)果的具體機(jī)制尚不明確[18]。同時(shí)，有研究表明，將直接抽取未經(jīng)分離培養(yǎng)的BMSCs與經(jīng)過(guò)分離培養(yǎng)的BMSCs進(jìn)行ONFH治療比較發(fā)現(xiàn)，兩者對(duì)ONFH治療均有效，但后者進(jìn)行ONFH治療的療效更佳[19,20]。目前，BMSCs移植術(shù)治療ONFH有以下2種:①髓芯減壓細(xì)胞移植術(shù)(CD)：是臨床治療手段之一，操作簡(jiǎn)單、精準(zhǔn)有效，且能聯(lián)合其他材料一起輸送到骨壞死區(qū)，療效肯定[21,22]；②動(dòng)脈注射法：通過(guò)股內(nèi)側(cè)回旋動(dòng)脈、股外側(cè)回旋動(dòng)脈或閉孔動(dòng)脈注射BMSCs，觀察其對(duì)ONFH的治療作用，該治療無(wú)嚴(yán)重不良反應(yīng)[23]，并能提高干細(xì)胞的生物力學(xué)支持效果，可有效作用于缺血區(qū)域,提高療效[24]。

盡管BMSCs對(duì)于ONFH的治療效果確切，并逐漸走出實(shí)驗(yàn)階段用于臨床，能明顯改善運(yùn)動(dòng)功能障礙、緩解疼痛[25]，但BMSCs對(duì)于ONFH的治療效果仍未達(dá)到預(yù)期的理想結(jié)果(逆轉(zhuǎn)患者病情)[17]，其可能的原因：①細(xì)胞方面：細(xì)胞活性不佳；細(xì)胞流失而停留在壞死區(qū)干細(xì)胞達(dá)不到治療量等；②壞死區(qū)微環(huán)境：就細(xì)胞方面而言，提高BMSCs的活性，降低植入后BMSCs的流失能明顯提高治療效果[8]。研究發(fā)現(xiàn)，利用低強(qiáng)度脈沖超聲處理BMSCs后，在體外能獲得較高細(xì)胞活力的BMSCs[26]。而這一研究并未解決細(xì)胞的流失問(wèn)題，且在植入到體內(nèi)前需使用胰酶消化，此對(duì)于BMSCs的活性和功能均有不同程度損壞。而基于微載體的3D細(xì)胞培養(yǎng)能很好地避免該問(wèn)題，其作為一個(gè)具有功能的微單元增強(qiáng)了細(xì)胞-細(xì)胞間的相互作用，提高了細(xì)胞活性，更重要的是植入到體內(nèi)能降低BMSCs的流失，因此極大提高了再生效果[8]。

就ONFH的局部微環(huán)境而言，改善局部微環(huán)境對(duì)于提高BMSCs的治療效果有重要意義。而壞死區(qū)總體處于破骨/成骨細(xì)胞失調(diào)、缺血，且壞死區(qū)BMSCs增殖能力和干性基因表達(dá)能力明顯降低，相反成脂能力卻明顯增強(qiáng)[1,7]。調(diào)節(jié)局部微環(huán)境就是要調(diào)節(jié)破骨/成骨細(xì)胞功能平衡、改善局部缺血及提高ONFH區(qū)的BMSCs功能活性。因此對(duì)于需移植的干細(xì)胞進(jìn)行基因修飾能明顯改善骨壞死區(qū)微環(huán)境，使其更好地促進(jìn)骨再生，提高療效。如在體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中，用BMP-2修飾的BMSCs，能通過(guò)調(diào)節(jié)破骨/成骨細(xì)胞的功能平衡，促進(jìn)骨再生，進(jìn)而修復(fù)山羊ONFH，并取得良好效果[27]；BMP-2和BFGF修飾的BMSCs可通過(guò)促進(jìn)骨形成和血管生成而成功修復(fù)犬模型中的ONFH[28]；聯(lián)合BMP-2和VEGF修飾BMSCs治療ONFH的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，BMSCs對(duì)于壞死區(qū)的血管再生和成骨再生能力明顯增強(qiáng)[29]；且低氧預(yù)處理后的BMSCs能增強(qiáng)干細(xì)胞功能活性，使其增殖能力和干性基因表達(dá)增強(qiáng)，成脂能力降低[30]。以上研究表明，BMSCs基因修飾和處理后能明顯提高其對(duì)ONFH治療效果，這些修飾的共同點(diǎn)是通過(guò)修飾后的BMSCs改善ONFH區(qū)局部的微環(huán)境，提高干細(xì)胞的治療效果。

綜上所述，BMSCs治療ONFH的研究取得較大進(jìn)展，并逐漸走出實(shí)驗(yàn)階段應(yīng)用于臨床，但臨床應(yīng)用過(guò)程中治療早期ONFH并未達(dá)到理想效果；而對(duì)BMSCs進(jìn)行預(yù)處理和準(zhǔn)確選擇亞群可提高ONFH的治療效果。利用基因工程技術(shù)對(duì)BMSCs(如BMP-2和VEGF)進(jìn)行修飾，亦為更有效地利用BMSCs提供了良好的嘗試。然而，這些實(shí)驗(yàn)研究用于臨床實(shí)踐之前，必須做大量工作，以便證明其療效的確切安全，使其能更好地應(yīng)用于早期ONFH的治療，并能逆轉(zhuǎn)病情達(dá)到痊愈，避免患者疾病惡化，最終面臨假體置換的厄運(yùn)。