间充质干细胞移植治疗股骨头坏死研究进展_汤宁宁

现代医药卫生 2013年6月30日 第29卷第12期 J Mod Med Health，June 30，2013，Vol.29，No.12 股骨头坏死（osteonecrosis of the femoral head，ONFH）又称为股 骨头无菌性坏死或股骨头缺血性坏死，多见于 35～55 岁青壮年， 发病率和致残率高，是骨科临床常见难治症之一 [1]。ONFH 是源于 不同病因引发的股骨头供血不足，致软骨下骨细胞和骨髓坏死， 最终导致骨小梁吸收、股骨头塌陷、关节功能障碍的疾病。对于晚 期（Ⅲ期及以后）股骨头塌陷并伴严重骨性关节炎患者，只能选择 全髋关节置换治疗，因此，ONFH 的早期发现、早期治疗极为关键。 目前，ONFH 塌陷前（Ⅰ、Ⅱ期）的治疗方法大致包括体外震波疗 法、高压氧疗法、介入扩血管疗法、口服抗凝药物或中药疗法；外 科手术治疗包括髓心减压术、各种骨移植术（含带血管蒂的骨移 植、死骨清除自体松质骨移植）等。但上述治疗的疗效均不理想， 探寻新的更为有效的治疗方法势在必行 [2]。近年来，干细胞与再生 医学的理论和技术发展迅猛，诸多文献报道了采用成体干细胞移 植治疗 ONFH 的成功尝试[3]，使得干细胞移植有望成为治愈 ONFH 的新方法。本文对近年来有关间充质干细胞（MSCs）移植治疗 ONFH 的新进展，尤其是 MSCs 联合其他方法，包括髓心减压术联 合 MSCs移植、复合材料支架联合 MSCs移植、基因修饰联合 MSCs 移植、联合细胞因子 MSCs 移植及其各种联合治疗方法的进一步 联合应用综述如下。 1 ONFH 的病因及发病机制 1.1 病因 ONFH 病因大致可分为两类：创伤性 ONFH，为骨坏 死的常见病因，股骨颈骨折、创伤性髋关节脱位、股骨头骨折等创 伤情况均可引起 ONFH；非创伤性 ONFH，相关因素有皮质激素 治疗、酗酒、脂肪代谢紊乱、结缔组织疾病（如系统性红斑狼疮 等）、减压病、血红蛋白病（如镰状细胞贫血病等）、痛风、高尿酸血 症、糖尿病、骨质疏松及髋关节发育不良等，据日本大规模统计调 查显示，皮质激素治疗和酗酒是 2 个最主要危险因素 [4]。 1.2 发病机制 ONFH 的发病机制一直是学术界争论的焦点， 目前，存在多种理论依据，但总的来说，无论何种学说，终因破坏 股骨头微循环而导致骨坏死。有研究表明，激素、乙醇、系统性红 斑狼疮及骨胶原性疾病都可导致潜在的血管炎或前凝血状态，促 使血液黏度增加，形成高凝和低纤溶状态，进而使微循环损坏，导 致骨坏死。其次，长期酗酒亦可导致机体脂肪细胞代谢紊乱，细胞 内脂肪异常蓄积而发生脂肪变。骨细胞也可能会发生脂肪变，脂 肪细胞增生、肥大形成局部脂肪浸润，引起骨组织供血不足、骨小 梁断裂、空骨陷窝增多而最终导致 ONFH；长期酗酒还可能会引 起骨髓间充质干细胞（mesenchymal stem cells，BMSCs）不转化为 成骨细胞，而转化为脂肪细胞，这一点与激素导致 ONFH 的发病 机制相似。王义生等[5]采用灌胃法给予家兔烈性白酒 6 个月，在透 射电镜下均发现股骨头软骨下骨细胞内出现大量脂质，胞核被挤 至一侧边缘，骨细胞死亡，出现大量空骨陷窝。此外，骨细胞脂肪 变也可能是因为高脂血症时进入细胞内的脂肪增多或缺血、缺 氧情况下三酰甘油水解及脂肪酸氧化效率均降低，脂肪利用减少 导致。另外，软骨营养不良、外来栓子的栓塞以及关节内压或骨髓 内压增高等也被认为是 ONFH 发病的重要机制 [6]。另外，BMSCs 与 ONFH的发病机制尚未完全阐明。最近的研究发现，BMSCs和骨 细胞的数量减少或活性降低是导致 ONFH 的重要发病原因 [7 -8]， Wang 等[9]比较了 ONFH 患者和健康者股骨的 BMSCs 活性，ONFH 患者 BMSCs活性较健康者降低。基于此，目前认为，补充一定数目 的 BMSCs可能会对 ONFH 起到一定的治疗作用。 2 MSCs 移植治疗 ONFH 的研究现状 2.1 MSCs 的生物学特性 早在 1968 年就有学者发现了 BMSCs 具有多向分化能力。到目前为止，MSCs 的成骨能力已经得到很多 研究证实。MSCs 来源于中胚层，在适宜条件下，具有分化为中胚 层各种组织细胞的能力，如骨细胞、软骨细胞等；当然，其同时能 够向内胚层和外胚层组织分化，如脂肪细胞、肌肉细胞、血管内皮 细胞和心肌细胞等 [10]。MSCs 容易获取，目前，从多种组织、器官均 可分离得到，应用较多的有骨髓、胎盘、脐带血等。不同组织、器官 获取的 MSCs 所到达的组织微环境会诱导其定向分化 [11]。MSCs 体 外培养易于贴壁，呈现出成纤维细胞样外观。因此，早期被称为成 纤维细胞集落形成单位；MSCs 经多次传代后性质保持不变，不涉 及伦理问题，极少引起免疫排斥反应。很多动物实验研究证明了 MSCs 在再生医学修复中的良性效果，以 BMSCs 为代表的各类 MSCs 已初步应用于多种疾病的临床治疗中。 2.2 MSCs 的移植治疗 ONFH 的研究进展 2.2.1 MSCs 的介入移植 杨晓凤等 [12]经插管缓慢注入 BMSCs 于旋股内、外侧动脉及闭孔动脉中，移植治疗 63 例 ONFH，随访 关节疼痛均获得不同程度的缓解。移植后 6 个月，5 例患者 ONFH 区血供改善明显；2 例 18 个月后骨小梁大量形成，病变改善明 显。史沛等 [13]采用与以上相似的做法将自体骨髓单个核细胞注入 ONFH 患者侧闭孔动脉，旋股内、外动脉内，随访发现，所有患者 关节疼痛症状均获得大幅度减轻，人工全髋关节疗效评分 （Harris 评分）显著提高，未发生严重并发症。徐军等 [14]采用髋关节 镜及自体外周血 MSCs 移植，术后所有患者疼痛消失，步态正常， 髋关节活动度接近正常，X 射线片检查显示坏死区囊性变消失。 通过介入输注 MSCs 不失为治疗 ONFH 的一种好方法，该法 不仅应用简便，而且可以避免患者遭受更多手术造成的重大创 伤，同时，可以保证移植部位输注足够数目的细胞。随着干细胞在 介入方面应用研究的进一步深入，相信在不久的将来该法可为更 多 ONFH 患者带来福音。 2.2.2 髓心减压注射 MSCs 治疗 Hernigou 等 [15]发现 ONFH 患者 间充质干细胞移植治疗股骨头坏死研究进展 汤宁宁 综述，章 涛 审校（遵义医学院附属医院贵州省细胞工程重点实验室，贵州 遵义 563003） 【关键词】 股骨头坏死； 间质干细胞移植； 综述 doi：10.3969/j.issn.1009-5519.2013.12.036 文献标识码： A 文章编号： 1009-5519（2013）12-1836-03 ·综述与讲座· 基金项目：国家自然科学基金资助项目（81060148）。 通讯作者：章涛（E-mail：oceanzt@163.com）。 ·1836· 现代医药卫生 2013年6月30日 第29卷第12期 J Mod Med Health，June 30，2013，Vol.29，No.12 骨髓细胞活性、质量及数目较健康者均明显下降。基于此，他们采 用离心方式从患者自体骨髓中分离得到骨髓基质细胞，随即通过 外科手术为患者股骨头钻孔减压并向股骨头输注分离得到的细 胞，同时进行随访，在骨坏死前期（Ⅰ、Ⅱ期）进行手术的 145 髋中 只有 9 髋继续坏死、恶化并且需行髋关节置换术；而塌陷后期进 行手术的 44 髋中有 25 髋需行全髋关节置换术。Gangji 等 [16]对 13 例 ONFH 患者股骨头转子区成骨细胞增殖能力进行测试表明， 其成骨活力较正常股骨头下降明显，进而分组进行髓心减压术及 髓心减压注射干细胞悬液，随访 2 年，单纯减压组患者关节临床 症状及恢复情况与后者相比均有明显差异。郭小伟等 [17]采用髓芯 钻孔减压后以外周血干细胞注射移植治疗 Ficat 分期为三期的 20 例患者， 随后随访 12 个月，20 例患者关节疼痛症状均获得不 同程度的缓解，关节功能均明显改善，效果优于单纯髓心减压术。 汪学松 [18]在对坏死股骨头进行髓心减压基础上，直接注入自体 BMSCs 治疗 ONFH 患者 27 例，随访发现，绝大多数患者股骨头 坏死侧关节症状均明显改善，影像学检查显示坏死侧股骨头坏死 部位的坏死面积均获减少甚至消失。刘长安等 [19]利用液氮冷冻制 作家兔股骨头坏死模型，在此基础上，钻孔减压并填充吸附了干 细胞的明胶海绵，8 周后组织学检查显示，钻孔区内充满新生骨小 梁，并有大量骨髓组织生成。 2.2.3 复合材料支架联合 MSCs 移植 MSCs 植入以填充材料为 载体的方式移植治疗 ONFH 作为一种新型的治疗方法也是目前 研究的热点之一。在多种实验动物模型中，BMSCs 与载体的复合物 修复不同大小范围的骨缺损均显示出较好的治疗效果。付松等 [20] 通过实验研究得出牛松质骨作为一种不错的生物载体可以被广 泛应用。陈观华等 [21]则证实，使用自体松质骨为载体，骨形成蛋白 （BMP）联合自体 BMSCs 移植治疗兔 ONFH 模型效果良好。季卫 锋等 [22]通过在股骨头坏死区进行钻孔减压，同时，利用脱钙骨基 质（decalcified bone matrix，DBM）为支架载体用干细胞治疗 ONFH 87 例 103 髋，随访 26 个月，Harris 评分由术前平均 47.3 分增加至 术后平均 74.0 分。Kawate 等 [23]利用 β-磷酸三钙（β-tricalcium phos- phate，β-TCP）为载体承载自体 BMSCs 移植入股骨头坏死部位，长 期随访发现，大多数患者骨坏死部位均获得不同程度的缓解，影 像学观察到局部高密度影示新骨形成。Yamasaki 等 [24]通过羟基磷 灰石联合 BMSCs 移植治疗 ONFH，表明该方法对 ONFH 起到显著 疗效。 2.2.4 相关基因转染 MSCs 移植 陆斌等 [25]通过实验研究表明， 通过体外分离、培养得到羊自体 BMSCs 转染入人 BMP-2 并复合 于 β-TCP 材料上，以髓心减压术为基础，移植此复合体后 1、2、3 周检测出 BMP-2 组在羊 ONFH 某些部位局部出现高表达 BMP-2 蛋白的情况，而且成骨现象明显。崔大平等 [26]利用两种基因，即血 管内皮细胞生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）-165、 BMP-2 联合修饰自体 BMSCs，培养数代后将其植入制作好的激素 性兔 ONFH 模型中，移植数周后发现，转染上述两种基因的模型 组 ONFH 区坏死范围明显缩小，在坏死区的周边出现了大量新生 骨，镜下可见新生毛细血管，新生骨小梁均大量生成，并且随着时 间推移，修复面积日益增多，提示 VEGF-165 与 BMP-2 两种基因 可促进并强化 BMSCs 成骨、成软骨的能力，加快 ONFH 修复时 间。陈超等[27]利用兔自体 BMSCs 转染入 hVEGF-165 基因质粒，通 过外科手段移植入兔 ONFH 模型体内，植入后 2、4、8 周采集股骨 头进行固定、脱钙等处理后进行纵行切片并在苏木精-伊红（HE） 染色观察到坏死区有新生骨小梁大量增生，进而说明该法用于修 复兔 ONFH 效果良好。杭栋华等[28]体外分离并培养出犬 BMSCs，利 用 hVEGF-165 基因转染入此细胞内后移植入犬 ONFH 区，结果 表明，随着移植周数的增加，转基因细胞移植组效果明显区别于 单纯自体 BMSCs 移植组，光学显微镜下观察到，转基因细胞移植 组血管生成量明显多于单纯干细胞移植组。除此之外，温茜等 [29] 利用重组腺病毒人肝细胞生长因子（Ad-HGF）转染入 BMSCs，经 测定，经转染的细胞能够表达多量干细胞生长因子，而 Ad-HGF 已 经被证实能够较好地促进 ONFH 区的修复与再生。 2.2.5 联合细胞因子 MSCs 移植 随着 ONFH 病因及发病机制 研究的不断深入，细胞因子已成为 ONFH 治疗中的研究重点。目 前，已经发现多种细胞因子能促进 MSCs 向骨细胞、软骨细胞等 方向分化。目前，在 ONFH 应用于基础实验方面的细胞因子多为 如下几种：BMP、VEGF、碱性成纤维细胞生长因子（basic fibroblast growth factor，bFGF）等。以上因子多能诱导 MSCs 不可逆分化为成 骨细胞，有的可诱导新生血管生成，参与 ONFH 的修复。 BMP 家族成员数量众多，BMP-2 因其卓越的成骨修复活性 而被广泛应用。周强等 [30]利用载体附着 BMP-2 和转化生长因子 β1（TGF-β1）进而用于移植入特定动物的 ONFH 区，结果观察到 坏死区吸收良好，各移植部位均获得不同程度的再生修复。bFGF 是英国学者于 1974 年首次发现，具有强大的成骨作用和诱导血管 生成作用，与 BMP 联合运用效果优于单独应用 BMP 。靳松等 [31] 通过 bFGF 和 FGF/ BMP 作用于兔 ONFH，数周后观察到坏死区 出现较多量的新生骨小梁，因此，bFGF 联合 BMP 可明显促进骨 细胞与成纤维细胞的生长及增殖。McCarthy 等 [32]研究显示，bFGF 能促进成骨细胞合成胶原纤维，促进骨质矿化进而加速骨痂形 成。VEGF 是一种同源二聚体蛋白，是机体促进血管生成最重要 的一种生长因子。胡志明等 [33]利用 VEGF 脂质体针刺注入模型兔 ONFH 区，术后行 HE 染色后，光学显微镜观察到坏死区出现多 量新生骨小梁、大量骨髓及新生血管。CT 及 X 射线检查显示股骨 头整体密度增高，骨质修复明显。张辉等 [34]利用重组合异种骨复 合 VEGF 基因转染 BMSCs 应用于非创伤性 ONFH，也获得理想的 治疗效果。 除此之外，血小板衍生因子（PDGF）、血管生成素、胰岛素样 生长因子、前列腺素 E2（PGE2）等均能促进血管生长、增强成骨 细胞增殖能力等，进而促进骨坏死区的成骨能力。目前，联合细 胞因子 MSCs 移植治疗 ONFH 在临床应用中仍然存在很多问题， 如各种因子联合应用的组成与比例的选择、合适附和载体的选 择、不同生长因子所引起的免疫反应和不良反应的控制等。 3 存在的问题与发展 目前为止，干细胞治疗 ONFH 还主要处在动物模型研究和有 限的临床研究阶段，尽管其安全性和有效性已基本得到确认，但采 用何种干细胞以及分化状态的干细胞更有利于 ONFH 的骨组织 和血管再生修复，何种移植途径最佳，移植细胞时机的选择，移植 细胞数等诸多问题均有待深入研究、解决。在干细胞移植应用于 ONFH 的治疗前，还需完成前瞻性的大样本随机对照实验。就干 细胞自身而言，不同来源的 MSCs 经多次传代培养后自我更新、 多向分化潜力是否相同，基于不同来源的 MSCs 的质量和数量的 千差万别，如何获取活力良好且数量充足的 MSCs 也是研究的热 点。此外，经过多次传代培养以及转入某些基因后的 MSCs 在体内 是否可控，会否导致肿瘤发生也是目前学者关心的问题之一。尽管 目前还有许多问题需要进一步解决， 但随着研究的不断深入和扩 展，MSCs一定会真正走入临床，为广大 ONFH患者的治疗带来福音。 ·1837· 现代医药卫生 2013年6月30日 第29卷第12期 J Mod Med Health，June 30，2013，Vol.29，No.12 参考文献 [1] 王荣田，陈卫衡，林娜，等. 股骨头坏死的病因构成及发病特 征分析[J]. 中国骨与关节损伤杂志，2009，24（9）：792-795. 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