間充質(zhì)干細(xì)胞對骨關(guān)節(jié)炎修復(fù)機(jī)制的研究進(jìn)展及應(yīng)用

孫慶云閆振宇

(1. 華北理工大學(xué),河北唐山 063000; 2. 華北理工大學(xué)附屬醫(yī)院,河北 唐山 063000)

骨關(guān)節(jié)炎(osteoarthritis,OA)是一種以軟骨下骨改變和軟骨退化為特征的慢性退行性疾病。據(jù)世界衛(wèi)生組織(World Health Organization,WHO)統(tǒng)計(jì),60 歲及以上的患者中,男性大約占10%,女性大約占18%,在患病的人群中大約有80%的患者會伴有關(guān)節(jié)活動障礙[1]。作為常見的慢性退行性疾病,OA 不僅因功能障礙導(dǎo)致關(guān)節(jié)疼痛,還會影響睡眠進(jìn)而影響著患者的生活質(zhì)量[2]。目前的常規(guī)治療主要是藥物控制,包括非甾體抗炎藥(NSAIDs)、透明質(zhì)酸(HA)、簡單止痛藥和皮質(zhì)類固醇,但這些治療雖然起到了緩解癥狀的作用,減輕了因活動障礙引發(fā)的疼痛,并能控制炎癥,但并不能減緩關(guān)節(jié)的進(jìn)行性退化[3]。當(dāng)常規(guī)治療無法緩解癥狀時(shí),則需要進(jìn)行關(guān)節(jié)清創(chuàng)術(shù)等外科手術(shù)治療,這些治療雖然有一定療效,但并不會產(chǎn)生長期效果[4]。終末期患者最常用的治療手段就是關(guān)節(jié)置換術(shù),雖然能使關(guān)節(jié)恢復(fù)活動能力,但置換的關(guān)節(jié)存在使用年限的問題,并且由于手術(shù)創(chuàng)傷會造成感染甚至形成血栓。伴隨著研究的逐漸深入,將新的細(xì)胞移植到組織損傷部位進(jìn)行修復(fù)的細(xì)胞療法越來越受到人們的重視[5]。近代組織工程發(fā)展的自體軟骨細(xì)胞移植(autologous chondrocyte implantation,ACI)和基質(zhì)誘導(dǎo)的關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞移植(matrix-induced articular chondrocytes implantation,MACI)已被證實(shí)對OA 有一定的療效[6]。但是軟骨細(xì)胞的培養(yǎng)以及移植細(xì)胞時(shí)的手術(shù)創(chuàng)傷仍是難以避免的難題。該方法的局限性促進(jìn)了細(xì)胞療法的進(jìn)展,因此多項(xiàng)潛能的間充質(zhì)干細(xì)胞(mesenchymal stem cells,MSCs)成為了研究者的選擇。在這里,將進(jìn)一步描述關(guān)于MSCs的特性和功能,以及它們在OA 動物模型和臨床中的治療機(jī)制。

1960 年末,Friedenstein 等[7]首次發(fā)現(xiàn)了 MSCs。它是中胚層來源的成體干細(xì)胞,可以從如骨髓、脂肪等多種組織中分離出來,同時(shí)也具有分化為如軟骨細(xì)胞、成骨細(xì)胞等多種細(xì)胞的能力[8]。國際細(xì)胞治療學(xué)會(International Society for Cellular Therapy,ISCT)對MSCs 的定義有三個(gè)標(biāo)準(zhǔn):(1)能貼壁生長;(2)表達(dá) CD105、CD73、CD90,不表達(dá) CD45、CD34、CD14 或 CD11b、CD79a 或 CD19 和 HLA-DR;(3)能多向分化[9]。目前 MCSs 修復(fù) OA 的機(jī)制主要包括:分化為軟骨細(xì)胞、分泌抗炎因子、調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)、降低炎癥因子釋放[10]。但越來越多的研究證實(shí)MSCs 來源的外泌體(MSC-Exos)也對延緩OA 進(jìn)展起到一定的作用[11]。這些觀察激起了人們對MSCs修復(fù)關(guān)節(jié)軟骨的濃厚興趣。

1 MSCs 對 OA 的修復(fù)機(jī)制

1.1 MSCs 的成軟骨特性

有研究顯示,在特定的誘導(dǎo)條件下,在體外培養(yǎng)的MSCs 可向軟骨細(xì)胞分化,且軟骨的形成模擬了胚胎軟骨的發(fā)育和生長[12]。不同的細(xì)胞因子或生長因子,如胰島素樣生長因子(IGF),骨形態(tài)蛋白(BMP),轉(zhuǎn)移生長因子β(TGF-β),均已被證明對軟骨組織的修復(fù)起著促進(jìn)作用[13]。最近有研究發(fā)現(xiàn)維生素D 可以促進(jìn)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(bone marrow mesenchymal stem cells,BMSCs)的增殖和遷移,并在BMSCs 的定向軟骨分化中發(fā)揮潛在的作用。TGF-β1 通過調(diào)控ERK/JNK 信號通路參與維生素D 的功能作用[14]。Sox9 是軟骨發(fā)育的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子,卓群豪等[15]通過向小鼠膝關(guān)節(jié)內(nèi)注射Sox9 基因轉(zhuǎn)染的BMSCs,觀察到轉(zhuǎn)染后的細(xì)胞可促進(jìn)小鼠膝關(guān)節(jié)的軟骨修復(fù)。以上研究顯示MSCs 的成軟骨特性是修復(fù)OA 軟骨損傷的一種重要機(jī)制。

1.2 MSCs 的抗炎和免疫調(diào)節(jié)作用

OA 患者的關(guān)節(jié)因炎性因子的浸潤呈現(xiàn)一種低度炎癥的狀態(tài),軟骨基質(zhì)分解代謝產(chǎn)物可引發(fā)巨噬細(xì)胞和免疫細(xì)胞釋放炎性因子,進(jìn)而通過改變軟骨細(xì)胞功能加速軟骨損傷[16]。有研究報(bào)道MSCs 通過分泌多種生長因子促進(jìn)血管生成,例如血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)、成纖維細(xì)胞生長因子2(fibroblast growth factor 2,bFGF)、胰島素樣生長因子-1(insulin-like growth factor-1,IGF-1)、肝細(xì)胞生長因子(hepatocyte growth factor,HGF) 等。VEGF、bFGF、HGF、IGF-1、TGF-β還可防止細(xì)胞凋亡,HGF、bFGF 也有抵抗纖維化的能力[17]。其次MSCs 在免疫調(diào)節(jié)方面通過抑制樹突細(xì)胞(dendritic cells,DCs)、自然殺傷細(xì)胞(natural killer cells,NKs)、T 細(xì)胞、B 細(xì)胞的增殖發(fā)揮作用,還能分泌可溶性因子如吲哚胺2,3-二氧合酶(indoleamine2,3-dioxigenase,IDO)、TNF 刺激基因 6(TNF-stimulated gene 6,TSG6)、一氧化氮(nitric oxide,NO)、白介素 10(interleukin-10,IL-10)、CC-趨化因子配體2(CC-chemokine ligand 2,CCL2)、前列腺素E2(prostaglandin E2,PGE2)進(jìn)而對調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)起著關(guān)鍵作用[18-20]。綜上所述,MSCs 分泌的抗炎因子以及抑制免疫細(xì)胞的增殖對OA 炎癥修復(fù)起著重大作用。

1.3 MSCs 的細(xì)胞外囊泡的作用

MSCs 衍生的細(xì)胞外囊泡(EVs),已被證明在介導(dǎo)組織再生和免疫調(diào)節(jié)方面發(fā)揮作用[21]。EVs 可由多種類型的細(xì)胞產(chǎn)生,如免疫細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞、MSCs 等,并且存在于各種生物液體中,包括血液、尿液、滑液等[22]。EVs 根據(jù)其大小、組成和來源分為外泌體(Exosomes),微囊泡(microvesicles)和凋亡小體(apoptotic bodies),其中Exosomes 研究最為廣泛[23]。所有的 EVs 都富含蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和核酸(DNA、mRNA、miRNA、tRNA),可以傳遞給受體細(xì)胞,從而有助于細(xì)胞間的交流[24]。

最近有證據(jù)表明,MSC-Exos 可促進(jìn)軟骨再生。2016 年,Zhang 等[25]首次證明關(guān)節(jié)內(nèi)注射 EMSCExos 可使缺損處軟骨和軟骨下骨恢復(fù)。隨后在2017 年,Cosenza 等[26]發(fā)現(xiàn) Exos 或 MPs 均能再現(xiàn)MSCs 的治療作用。且通過基因載體或化學(xué)合成修飾的MSC-Exos 也可改變某些miRNA 或LncRNA 的表達(dá),從而影響 OA 的治療[27-29]。與 MSCs 的細(xì)胞治療相比,MSC-Exos 代表了一種更安全、更有效的治療方式。

2 MSCs 在動物模型研究和人類臨床研究中的療效

2.1 MSCs 在 OA 中的應(yīng)用

MSCs 無論在大型動物還是小型動物OA 模型中的應(yīng)用表明單獨(dú)或協(xié)同其他因素關(guān)節(jié)內(nèi)注射自體或同種異體 MSCs 均可改善OA 癥狀(見表1)。動物模型的成功極大地促進(jìn)了臨床研究,并為今后的臨床研究提供了一定的科學(xué)依據(jù)[30-31]。根據(jù)表2可知無論是MSCs 移植或是關(guān)節(jié)內(nèi)注射都可修復(fù)OA 損傷,但MSCs 注射的劑量仍沒有一個(gè)固定的標(biāo)準(zhǔn),所以仍需要我們進(jìn)行大量的臨床研究加以確定和完善。

表1 MSCs 在OA 動物模型中的應(yīng)用Table 1 Application of MSCs in animal models of OA

表2 MSCs 在OA 中的臨床研究Table 2 Clinical studies of MSCs in OA

2.2 MSCs 在血友病性關(guān)節(jié)病(hemophilic arthropathy,HA)中的應(yīng)用

MSCs 在治療OA 中發(fā)揮了極大的作用,因此也為治療其他疾病提供了思路。目前HA 仍沒有較好的治療辦法,終末期患者接受手術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)也很大,因此MSCs 對HA 動物模型的治療的有效性吸引了研究者的目光,通過對動物進(jìn)行干預(yù),針刺基因缺陷動物或通過自體血輸注的方式構(gòu)建HA 動物模型,隨后進(jìn)行關(guān)節(jié)內(nèi)注射MSCs,觀察療效,結(jié)果證明MSCs 的治療是有一定的作用的[41-42]。動物模型的成功刺激了其在臨床上的應(yīng)用,2013 年 Ebihara等[43]研究證明了自體血清培養(yǎng)自體BMSCs 治療HA 的可行性。隨后 Buda 的報(bào)告也指出,BMSCs 移植聯(lián)合滑膜切除術(shù)和踝關(guān)節(jié)鏡清創(chuàng)術(shù),并使用自體富血小板纖維蛋白治療血友病踝關(guān)節(jié)軟骨病變。平均隨訪 2 年后,軟骨修復(fù)、關(guān)節(jié)功能均得到改善[44]。

2.3 MSCs 在類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎(rheumatoid arthritis,RA)中的應(yīng)用

MSCs 不僅在OA、HA 的治療上有一定的作用,在治療RA 上也有一定體現(xiàn),通過輸注Ⅱ型膠原構(gòu)建小鼠膠原性關(guān)節(jié)炎(collagen-induced arthritis,CIA)。進(jìn)而使用該動物模型進(jìn)行一系列的實(shí)驗(yàn)研究表明MSCs 對治療CIA 小鼠有一定的療效[45-46],最近一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)也證明ADSCs 關(guān)節(jié)內(nèi)注射可使RA小鼠滑膜炎癥和關(guān)節(jié)軟骨明顯改善,這進(jìn)一步為開發(fā)RA 患者的局部治療提供了新的途徑[47]。但目前在臨床研究中MSCs 治療RA 的結(jié)果仍存在分歧,Jun 等[48]的研究證明MSCT 是治療難治性RA 的一種安全方法,但其有效性需要進(jìn)一步研究。而在2019 年一項(xiàng)I/II 期臨床實(shí)驗(yàn)中也提示BMSCs 治療的RA 可明顯改善癥狀但療效不能維持12 個(gè)月,此外,BMSCs 還有助于減少甲氨蝶呤和潑尼松龍的使用[49]。

3 展望與不足

眾所周知,OA 是一種慢性退行性的骨關(guān)節(jié)病,給中老年人及社會帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。目前的治療方法仍有很多限制與不足,MSCs 療法提供了一種新的治療途徑。以上研究證明MSCs 在治療OA、HA、RA 都顯示出了極好的治療效果。它主要通過分泌營養(yǎng)因子,調(diào)節(jié)免疫應(yīng)答,以及其外泌體的作用來修復(fù)受損的軟骨。在多項(xiàng)動物實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)展現(xiàn)了其治療效果,并且在臨床實(shí)驗(yàn)中也有一定的體現(xiàn)。因此該技術(shù)對軟骨修復(fù)的效果是令人鼓舞的。但也仍然存在一些問題,如MSCs 的治療劑量、更優(yōu)化的治療方式、理想細(xì)胞的來源以及定向分化的各種潛在分子機(jī)制仍不明確。因此,仍需要大量的實(shí)驗(yàn)來研究MSCs 治療OA 的諸多問題。隨著交叉學(xué)科的開展與成熟,相信MSCs 能夠?yàn)镺A 提供更多的選擇和幫助。