骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞移植在骨缺損病中的作用及骨傷科病中的應(yīng)用進(jìn)展

李應(yīng)福 謝興文 李 寧 徐世紅 李鼎鵬

(甘肅中醫(yī)藥大學(xué)，甘肅 蘭州 730000)

骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞移植在骨缺損病中的作用及骨傷科病中的應(yīng)用進(jìn)展

李應(yīng)福 謝興文1李 寧 徐世紅1李鼎鵬1

(甘肅中醫(yī)藥大學(xué)，甘肅 蘭州 730000)

骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞；骨缺損

目前在缺損處充填異體骨、自體骨、人工合成骨替代品等材料進(jìn)行組織修復(fù)再生是臨床治療骨缺損最多的治療方法，但由于各自存在的局限性導(dǎo)致其臨床效果較差，同時(shí)一些骨科難治性疾病發(fā)生率也逐漸增高。因此如何能將缺損的骨組織進(jìn)行快速、有效地修復(fù)，或?qū)⒐强祁I(lǐng)域中一些難治性疾病達(dá)到一個(gè)滿意的療效已成為修復(fù)重建及骨與關(guān)節(jié)外科領(lǐng)域需要探索與研究的亮點(diǎn)〔1〕。本文就骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(BMSCs)在骨缺損病中及骨傷科病中的作用及應(yīng)用、優(yōu)勢(shì)與不足作簡(jiǎn)要闡述。

1 BMSCs簡(jiǎn)述

BMSCs具有高度自我更新能力、弱免疫原性及良好的組織分化潛能〔2〕。在特定微環(huán)境的誘導(dǎo)條件下使BMSCs向脂肪細(xì)胞、軟骨細(xì)胞、成骨細(xì)胞、肌腱細(xì)胞、韌帶、神經(jīng)和骨骼肌等增殖和分化〔3～5〕。同時(shí)發(fā)現(xiàn)損傷附近的成骨細(xì)胞分泌的多種生長(zhǎng)因子可與BMSCs表面的受體結(jié)合，聯(lián)合BMSCs的歸巢作用使其到達(dá)組織損傷及缺損部位，參與機(jī)體缺損部位修復(fù)和加速周圍細(xì)胞組織再生〔6〕。

2 BMSCs在骨缺損病中的作用

骨缺損是目前臨床較為常見(jiàn)的病，因傳統(tǒng)方法(自體骨、異體骨移植，人工合成骨等)不能滿足患者的醫(yī)療效果需求，而BMSCs近年在這方面有了突破性的進(jìn)展，越來(lái)越廣泛的被醫(yī)生及患者所接受。王鯤等〔7〕發(fā)現(xiàn)BMSCs移植治療可提高缺損區(qū)的堿性磷酸酶含量，并加速缺損區(qū)的修復(fù)速度。周常艷等〔8〕用電鉆將新西蘭兔制成股骨滑車部直徑5 mm的骨-軟骨缺損模型，分別設(shè)實(shí)驗(yàn)組(植入BMSCs與磷酸鈣骨水泥復(fù)合物)、對(duì)照組(植入單純磷酸鈣骨水泥材料)、空白組(不植入任何材料)，經(jīng)對(duì)不同時(shí)間點(diǎn)的取材并攝X線片、生物力學(xué)檢測(cè)及組織形態(tài)學(xué)觀察，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)組新骨形成的速度和數(shù)量、骨標(biāo)本抗彎曲能力的最大負(fù)荷和最大應(yīng)力及成骨細(xì)胞與骨小梁出現(xiàn)時(shí)間均優(yōu)于其他兩組。該實(shí)驗(yàn)將磷酸鈣骨水泥與BMSCs相結(jié)合，利用磷酸鈣骨水泥具有優(yōu)越的生物相容性及BMSCs釋放的細(xì)胞因子可促進(jìn)細(xì)胞不斷成骨并加速材料的降解這一特性，順利完成骨再生替代材料的復(fù)雜過(guò)程。景彩霞等〔9〕研究說(shuō)明BMSCs的成骨作用可與同種異體骨的骨傳導(dǎo)作用結(jié)合并加速下頜骨缺損的重建再生。同時(shí)也驗(yàn)證了骨誘導(dǎo)理論，即BMSCs在骨移植過(guò)程中不僅促進(jìn)同種異體骨的成骨轉(zhuǎn)化，且以一種加速劑骨誘導(dǎo)成分的存在，達(dá)到更好的骨修復(fù)和再生。韓操等〔10〕研究說(shuō)明載體復(fù)合支架材料聯(lián)合自體BMSCs植入處填加堿性成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子，的確能夠加快骨再生，增強(qiáng)骨修復(fù)能力。無(wú)論是單純自體BMSCs植入、聯(lián)合同種異體骨植入、聯(lián)合復(fù)合支架材料植入骨缺損處，還是自體BMSCs載體支架材料聯(lián)合某一種特異性細(xì)胞生長(zhǎng)因子植入骨缺損區(qū)域，均可使種植體與組織工程骨形成良好的骨結(jié)合與骨傳導(dǎo)，能快速且安全的修復(fù)骨缺損。

3 BMSCs移植治療骨傷科病的研究現(xiàn)狀

BMSCs在特定的微環(huán)境條件下具有較強(qiáng)的定向分化潛能、良好的生物學(xué)活性和可自體移植等特點(diǎn)。通過(guò)大量的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)及臨床試驗(yàn)研究表明BMSCs移植治療在骨傷科疾病，尤其是近年高發(fā)生率且難治性疾病中顯現(xiàn)出舉足輕重的作用。

3.1 骨腫瘤 近年發(fā)現(xiàn)BMSCs與腫瘤發(fā)病機(jī)制有密不可分的關(guān)系，認(rèn)為從BMSCs系惡變而來(lái)的某些分子會(huì)促進(jìn)某些間質(zhì)癌的進(jìn)展，例如骨肉瘤，并且BMSCs可選擇性的優(yōu)先推動(dòng)腫瘤轉(zhuǎn)移至骨，使骨組織中存在大量的腫瘤干細(xì)胞和癌細(xì)胞〔11〕。正因如此，利用BMSCs自身獨(dú)有的生物學(xué)特性，將BMSCs移植至腫瘤周圍，其通過(guò)某些治療因子經(jīng)循環(huán)系統(tǒng)到達(dá)病變部位，這樣既避免了上面所述BMSCs與腫瘤細(xì)胞發(fā)生直接接觸從而加重病情，又能有效的抑制腫瘤生長(zhǎng)與擴(kuò)散〔12〕，這既減輕了患者的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，又提高了其生活質(zhì)量。

3.2 脊髓傷 眾所周知，當(dāng)人體神經(jīng)系統(tǒng)受到損傷后，其相應(yīng)結(jié)構(gòu)及功能基本無(wú)法恢復(fù)，通過(guò)藥物、手術(shù)及神經(jīng)移植、基因治療等多種療法雖有一定程度的療效，但都不能達(dá)到患者滿意度。因此神經(jīng)生物學(xué)聯(lián)合BMSCs的研究慢慢發(fā)展且不斷深入，從首次BMSCs植入大鼠中樞神經(jīng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)到目前大量成熟的BMSCs移植被誘導(dǎo)分化為神經(jīng)樣細(xì)胞的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)及臨床試驗(yàn)。均證明脊髓損傷類疾病可通過(guò)BMSCs移植治療來(lái)實(shí)現(xiàn)神經(jīng)功能及神經(jīng)系統(tǒng)相應(yīng)結(jié)構(gòu)的恢復(fù)〔13〕。Sakai等〔14〕觀察BMSCs移植治療動(dòng)物脊髓損傷療效，1 w后發(fā)現(xiàn)其步態(tài)顯著改善，5 w后對(duì)損傷區(qū)域進(jìn)行組織學(xué)觀察，發(fā)現(xiàn)移植區(qū)有少量新生神經(jīng)纖維束存在，說(shuō)明BMSCs通過(guò)特定微環(huán)境可分化為神經(jīng)細(xì)胞，并有效恢復(fù)神經(jīng)功能。有研究報(bào)道，將自體BMSCs直接注射到5例急性完全性脊髓損傷患者的損傷部位，并結(jié)合粒巨細(xì)胞集落刺激因子定時(shí)注射，通過(guò)1.5年的隨訪，5例患者做MRI示：相鄰斷裂的脊髓有纖維束連接，且運(yùn)動(dòng)和感覺(jué)功能均有不同程度的改善〔15〕。Cantinieaux等〔16〕通過(guò)BMSCs移植后都可以促進(jìn)脊髓損傷后的神經(jīng)修復(fù)，改善運(yùn)動(dòng)功能，還發(fā)現(xiàn)其主要經(jīng)過(guò)促進(jìn)軸突生長(zhǎng)、促進(jìn)血管新生及保護(hù)神經(jīng)軸突的途徑進(jìn)行緩慢修復(fù)。那么BMSCs移植是否可應(yīng)用于脊髓損傷的任意一期呢？基于此問(wèn)題，通過(guò)眾多學(xué)者的不斷研究與探索發(fā)現(xiàn)無(wú)論是基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)還是臨床試驗(yàn)都顯示BMSCs移植治療脊髓損傷在急性期和亞急性期作用明顯，療效突出；在慢性期幾乎無(wú)治療作用〔17〕。

3.3 股骨頭壞死(ONFH) 目前，ONFH病因病理及發(fā)病機(jī)制尚未明確，限制了其治療的準(zhǔn)確性及有效性。近年來(lái)興起的人工關(guān)節(jié)置換術(shù)雖然有明確療效，但仍有很多爭(zhēng)議〔18〕。那么對(duì)于年輕的ONFH人群面臨翻修甚至再翻修是否是不可避免的趨勢(shì)？隨著對(duì)研究方式的探索和改進(jìn)以及干細(xì)胞研究的發(fā)展，使更多的人相信ONFH的發(fā)病與細(xì)胞水平有密切的相關(guān)性。

BMSCs作為一種特異性的種子細(xì)胞，Asada等〔19〕直接將濃縮后的BMSCs植入壞死的股骨頭區(qū)域，結(jié)果發(fā)現(xiàn)使ONFH發(fā)生率顯著降低。王佰亮等〔20〕對(duì)45例非創(chuàng)傷性股骨頭壞死患者采用含高濃度BMSCs的自體骨髓血結(jié)合髓心減壓的方法治療，結(jié)合Harris 評(píng)分和影像學(xué)觀察，平均隨訪27.64個(gè)月，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其治療Ⅰ期股骨頭壞死有效率為100%，Ⅱ期為87.5%，隨著病情的加重其有效率逐漸降低，表明含高濃度BMSCs的自體骨髓血結(jié)合髓心減壓的方法只適用于早期ONFH，對(duì)于中后期ONFH治療效果相對(duì)較差，但在一定程度又起到防止股骨頭塌陷或進(jìn)展的作用。Wang等〔21〕對(duì)20例ONFH通過(guò)自體松質(zhì)骨及BMSCs移植+髓芯減壓的方法治療，發(fā)現(xiàn)患者疼痛減輕，關(guān)節(jié)活動(dòng)功能改善，療效滿意。目前越來(lái)越多的學(xué)者認(rèn)識(shí)到磷酸鈣骨水泥雖然在骨組織工程中被認(rèn)為是一種優(yōu)良的支架材料〔22〕，但由于對(duì)其生物力學(xué)硬度、強(qiáng)度及降解性能等方面不足的擔(dān)憂，導(dǎo)致鮮有BMSCs聯(lián)合磷酸鈣骨水泥治療ONFH的報(bào)道。而趙亮等〔23〕通過(guò)在磷酸鈣骨水泥中加入可吸收纖維、chitosan液相和臍帶基質(zhì)組織的MSCs(hUCMSCs)微球成功構(gòu)建了一種新型可注射強(qiáng)化型磷酸鈣骨水泥復(fù)合物/臍帶MSCs水凝膠微囊組織工程骨。其抗彎曲強(qiáng)度、斷裂功及彈性模量均已達(dá)到或超過(guò)其他可注射骨生物替代材料及松質(zhì)骨的力學(xué)強(qiáng)度，并且其內(nèi)的hUCMSCs又具有良好的細(xì)胞活性和成骨分化能力，該組織工程骨將為治療ONFH及骨修復(fù)領(lǐng)域等方面提供了可靠的保障。

4 BMSCs應(yīng)用于骨科疾病的不足與展望

雖然BMSCs取材相對(duì)容易，無(wú)免疫排斥反應(yīng)，被應(yīng)用于臨床多種疾病的治療，是一種有前途的細(xì)胞替代治療的靶細(xì)胞，但目前仍有一系列需要繼續(xù)探索和發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題存在。由于其在骨髓中含量較低、提純難度大，低BMSCs定向分化率及成本高等劣勢(shì)〔24〕，這對(duì)其臨床應(yīng)用無(wú)形中造成壁壘；利用BMSCs治療骨缺損時(shí)，如果在骨缺損區(qū)域直接注射BMSCs，由于自身血液沖洗很容易造成流失，導(dǎo)致其濃度降低、成骨作用減弱，修復(fù)速度也隨之減慢，另外確保細(xì)胞擁有足夠的氧氣和養(yǎng)分，加快成骨作用，那么其與毛細(xì)血管的最適距離是多少？因此，尋求最佳傳遞途徑及間距是保證良好療效的關(guān)鍵；BMSCs 聯(lián)合應(yīng)用載藥復(fù)合支架，其支架的材料、結(jié)構(gòu)與材料中復(fù)合的生長(zhǎng)因子通過(guò)改變哪些特征既能發(fā)揮主動(dòng)修復(fù)功能，又具有“可調(diào)控生物響應(yīng)”材料的特性〔25〕，BMSCs 聯(lián)合不同生物材料的支架，其最佳生物支架的選取、支架孔隙大小及孔隙率是保證種子細(xì)胞的營(yíng)養(yǎng)及在生物材料上分布均勻的重點(diǎn)，接種密度和初始有效濃度的多少直接影響成骨能力，這些問(wèn)題仍需大量的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和臨床試驗(yàn)研究確定；利用水凝膠中 hUCMSCs 雖具有成骨作用及細(xì)胞活性，但缺乏增殖能力，因此在磷酸鈣骨水泥固化后，如何使支架材料所需的種子細(xì)胞與水凝膠的快速降解釋放細(xì)胞相匹配，需要更多學(xué)者進(jìn)一步探索與研究。相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)，BMSCs在臨床治療骨缺損、股骨頭壞死、脊髓損傷等疾病，甚至更廣領(lǐng)域中會(huì)給人們帶來(lái)更多的喜訊與福音。

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〔2016-01-12修回〕

(編輯 袁左鳴)

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.81460735)

謝興文(1972-)，男，碩士生導(dǎo)師，主任醫(yī)師，博士，主要從事中醫(yī)藥對(duì)骨傷疾病的研究。

李應(yīng)福(1989-)，男，在讀碩士，主要從事中醫(yī)藥防治骨傷疾病研究。

R-1

A

1005-9202(2017)03-0751-03；

10.3969/j.issn.1005-9202.2017.03.101

1 甘肅省中醫(yī)院