骨关节炎——间充质干细胞在软骨再生中的作用

骨关节炎 (OA) 是一种可导致患者剧烈疼痛、关节功能丧失和生活质量下降的疾病。许多危险因素，包括衰老、遗传和损伤，都与骨关节炎的发病有关，其特点是关节内的结构变化。大多数治疗方法侧重于症状并尝试改变或改善关节组织的结构。即便如此，目前还没有任何治疗方法能够阻止或减缓OA的进展，或者有效且持久地缓解症状。在缺乏缓解疾病药物的情况下，正在研究再生医学作为一种可能的治疗方法，通过改变受损关节软骨的结构来改变OA的病程。

骨关节炎——间充质干细胞在软骨再生中的作用–在骨关节炎的再生治疗中，间充质干细胞（MSC）一直是转化研究和临床应用的支柱。近年来，间充质干细胞被发现是治疗骨关节炎的合适细胞来源，因为它们能够在培养物中快速扩增、非致瘤性且易于收集。间充质干细胞的抗炎和免疫调节能力可能为受损关节软骨的再生提供更有利的局部环境，这被认为是它们更适合骨关节炎的原因之一。除骨髓外，还从脂肪组织、滑膜、脐带、脐带血、牙髓、胎盘、骨膜和骨骼肌中分离出间充质干细胞。

脂肪组织和骨髓是治疗性间充质干细胞最重要的两种组织。积极的临床前和临床试验结果表明，尽管目前存在局限性和风险，基于间充质干细胞的治疗正在成为治疗骨关节炎的一种有前景的再生医学方法。

骨关节炎的发病机制

OA的特点是关节软骨退化和软骨下骨增厚，并伴有骨赘形成、滑膜炎症、韧带变性和关节囊增大。OA不是一种休眠的退行性疾病，而是一种由于关节愈合和破坏之间不平衡而导致的动态疾病。

尽管病因尚不完全清楚，但考虑了遗传、体质和环境因素。年龄、性别、既往关节损伤、超重、遗传弱点和机械因素是最常见的危险因素。

OA与心血管和动脉粥样硬化疾病的风险升高有关。此外，患有下肢骨关节炎的人更容易因为疼痛而感到沮丧，疼痛是这种疾病最常见和最严重的并发症。

在过去的几十年里，OA变得越来越普遍，环境变化是主要原因。四个关键环境因素与其病因相关：肥胖、代谢综合征、饮食改变和缺乏身体活动。

传统治疗骨关节炎的方案

目前的OA治疗主要侧重于减轻疼痛、增强功能和OA过程管理。目前有许多非药物和药物治疗用于治疗OA。除了现有的药物之外，其他新的治疗技术也在探索和开发中。为了获得尽可能最好的结果，患者通常接受多种药物的治疗。

国际骨关节炎研究协会（OARSI）、美国风湿病学会（ACR）和美国骨科医师学会（AAOS）已经确定了三种不同的骨关节炎治疗方式：物理措施、药物治疗和手术。

表1列出了骨关节炎的治疗方法、给药方式及其对退行性疾病的主要治疗作用。

自20世纪80年代以来，细胞疗法已被用于治疗软骨。Brittberg及其同事于1994年首次描述了自体软骨细胞植入 (ACI) 技术。由于它结合了外科手术和细胞培养程序，因此该程序需要进行两轮手术。尽管治疗效果有希望，但ACI也有一些缺点。骨膜瓣手术的主要缺点包括分层和骨膜肥大。由纤维软骨破坏引起的ACI的另一个缺点是结构变异。

科学家们正在探索使现有软骨细胞表型在体外更加稳定的策略，以寻找用于软骨组织工程的新细胞。这些方法旨在恢复关节组织并减少炎症。间充质干细胞是目前软骨组织发育最有前途的细胞来源。

间充质干细胞治疗骨关节炎的临床研究应用

尽管基于间充质干细胞的OA治疗很有前景，但在间充质干细胞的数量和质量方面仍有一些问题需要解决。基于间充质干细胞的疗法要想有效，必须至少满足以下三个基本要求：可接受的细胞数量、关节存活率和软骨细胞发育能力。

间充质干细胞具有以下特点：

可塑性：由于间充质干细胞具有自我更新、保持干性和维持细胞活力的能力，因此可帮助组织愈合。间充质干细胞可分化成一系列中胚层组织，并迁移到损伤部位，在这些部位显示出滋养效应[133]。

趋向效应：间充质干细胞可促进增殖、血管生成和再生化学物质的合成：粒细胞集落刺激因子（G-CSF）、干细胞因子（SCF）、巨噬细胞集落刺激因子（M-CSF）、IL-6和降低血清TNF-α水平。

间充质干细胞对淋巴细胞、B细胞、树突状细胞（DC）和自然杀伤细胞（NKC）具有免疫抑制和免疫调节作用。间充质干细胞对炎症的反应是迁移到受伤的组织中，调节免疫和炎症反应，促进组织愈合。

研究表明，间充质干细胞可影响先天性和适应性免疫反应。间充质干细胞可调节DC和Th1/Th2细胞产生细胞因子，限制细胞抗原递呈（APC）的成熟和活化，并调节CD4+CD25+调节细胞的发育。

治疗效果：由于它们能够分化成多种细胞类型，包括肌细胞、肌腱细胞和韧带细胞，MSC似乎是膝关节OA的可行治疗选择。

治疗骨关节炎的间充质干细胞类型有哪些

不同来源的间充质干细胞表现出不同的特性，并且每种都有其自身的优点和缺点。

就其增值能力而言，脐带（UC）和羊水来源的MSC超过脂肪和骨髓来源的MSC（BM-MSC）。

取自脐带、羊膜和脂肪组织的间充质干细胞比骨髓间充质干细胞产生的间充质干细胞具有更好的免疫调节能力；然而，胎盘间充质干细胞的免疫调节能力最低。

脂肪组织来源的MSC（AD-MSC）和BM-MSC都具有与成纤维细胞相似的形态。这些细胞表达CD29、CD44、CD73、CD90和CD105；然而，它们不表达CD14、CD31、CD34、CD45和CD106；此外，它们不表达HLA-DR或c-kit 。当这两种类型的细胞在体外发育时，AD-MSC表现出更强的成脂分化能力，而BM-MSC则表现出更强的成骨发育能力。

骨髓间充质干细胞治疗骨关节炎的临床案例

由于其可及性、快速细胞增殖、长期分化能力和最小的免疫排斥，BM-MSC是最广泛使用的治疗性MSC来源。许多研究已经在接受关节内注射或手术植入自体BM-MSC的膝骨关节炎患者中建立了可接受的临床结果。

BM-MSC具有广泛的特性，可能有助于治疗OA等疾病的遗传、机械和年龄相关恶化。

BM-MSC通过直接细胞间接触显着限制炎症T细胞、单核细胞和树突状细胞的增殖，因此具有免疫调节能力。它们还释放抗炎介质，例如PGE-2、IDO、IL-1Ra和IL-10。

二十年前进行了第一个BM-MSC移植治疗关节软骨异常的临床试验。该研究包括24名胫骨高位截骨相关膝关节OA患者，其中一半接受自体BM-MSC移植，另一半作为对照。42周后，大多数检查的组织区域均发现异色症，部分存在类似透明软骨的组织。细胞移植组的关节镜检查和组织学分级评分明显优于无细胞对照组，这表明骨髓间充质干细胞移植有望成为骨关节炎的治疗方法。

2008年，Centeno及其同事描述了一名接受经皮注射BM-MSC的患者，报告软骨显着生长，不适感减轻，关节活动度改善。随后，他们提出了一项针对339名患者的案例研究，结果显示，在MSC治疗后，只有6.9%需要全膝关节置换手术的患者（占患者组的69%）需要再次进行置换手术。11个月时，60%的患者报告疼痛缓解超过50%，而40%的患者报告疼痛缓解超过75%。一组30名慢性膝关节疼痛患者对传统治疗方法无反应，在接受关节内注射BM-MSC后，多项功能指标和软骨完整性得到显着改善。

2013年，奥罗斯科等人进行了骨关节炎的临床研究（n=12）。在这项研究中，他们将4107个BM-MSC注射到Kellgren和Lawrence (KL) 2-4级患者的膝关节中。他们发现疼痛在三个月内得到缓解，并持续改善至少一年。此外，莱肯大学、西安大略大学和麦克马斯特大学骨关节炎指数 (WOMAC) 评级显着提高。此外，软骨质量的定量MRI数据显示比前两年有所增加。

此外，同一研究团队在2016年报告了一项研究，使用4107个BM-MSC来治疗KL2-3级OA。这项研究的结果发表在《细胞报告》杂志上。基线时日常活动VAS评分约为58.27，但一年随访时降至19.47，四年随访时进一步降至14.62、14.93，未出现严重不良反应。

脂肪间充质干细胞（AD-MSCs）治疗骨关节炎的临床案例

2001年，人类AD-MSCs因其易于获取、供应充足和免疫抑制特性而被认为是间充质干细胞（MSCs）的潜在储库。通过简单的方法和使用局部麻醉剂，AD-MSC可以大量获得，并且比BM-MSC的浓缩程度更高（约500倍）。此外，如先前的研究所示，AD-MSC的分化潜力受试者年龄的影响较小。

近年来进行的大量临床研究表明了AD-MSC在治疗应用中的功效。

乔等人在I期和II期临床研究中，研究了关节内注射自体人AD-MSC对膝关节OA患者的疗效和安全性。在第一阶段，三名患者接受了1107、5107和1108AD-MSCs，而在第二阶段，九名患者接受了高剂量的1108AD-MSCs。接受1108AD-MSC治疗的患者报告称，OA膝关节疼痛减轻，膝关节功能改善，关节软骨缺损中出现透明样软骨再生，并且没有严重的不良反应。

18名有症状和严重膝骨关节炎的患者接受了三种不同剂量的自体AD-MSC：低剂量（2106个细胞）、中剂量（10106个细胞）和高剂量（50106个细胞）。六个月的随访显示没有临床上显着的不良反应，并且接受低剂量AD-MSC治疗的患者经历了显着的疼痛缓解和功能增强。

一项临床研究评估了AD-MSC与单独微骨折治疗80名18至50岁患者中度至重度膝关节骨关节炎的疗效。24个月后，接受AD-MSC治疗的组表现出组织修复的信号强度增强，膝关节损伤和骨关节炎的疼痛和症状评分 (KOOS) 有所改善。然而，其他分项得分没有观察到显着差异，包括日常生活活动、体育和娱乐以及生活质量。这些发现表明AD-MSC在促进组织修复和减轻疼痛方面的潜在功效。

赫尔利等人发现16项独立的研究报告了使用AD-MSC通过各种方法治疗OA。从IPFP中分离并注射到OA膝关节的AD-MSC表现出活动性和功能的改善以及疼痛水平的降低。治疗没有出现任何不良反应。经过两年的随访，患者报告不适程度显着减轻，并且软骨再生，如MRI所证明的那样。

在NCT01585857试验中，发现接受2106细胞注射的患者比接受更显着剂量的患者具有更高的基线疼痛和WOMAC评分。

重要的是，这些试验表明自体AD-MSC移植发生不良事件的风险较低，并且不会引起受者移植物排斥或恶性肿瘤，使其成为OA的可行治疗选择。为了充分理解定义的表型并提高这些MSC的治疗效率，需要对来自不同分离位点的供体匹配的AD-MSC及其相关特性进行额外的研究。

脐带间充质干细胞治疗骨关节炎

最近的研究表明，脐带间充质干细胞（UC-MSC）可以成为治疗性干细胞的有用来源，因为它们在增殖能力、功能分化和免疫调节作用方面优于BM-MSC。

UC-MSCs具有快速的自我更新和分化能力，有利于调节免疫反应和修复受损组织。这些细胞非常容易获得，并且在提取过程中不会引起任何不适。UC-MSC的增殖速度大约是AD-MSC的三到四倍。此外，众所周知，UC-MSC能够分泌多种有助于皮肤更新的生长因子。这些生长因子包括HGF、上皮生长因子 (EGF) 、 1型胶原蛋白和生长分化因子11 (GDF-11) 。

间充质干细胞可以从UC区室中提取，例如沃顿胶、血管周围组织和脐带血。源自UC的MSC可以无痛获得，并且道德考虑较少。

UC-MSC在OA治疗中的功效已在多项临床试验中得到评估。

对36名中度或重度膝骨关节炎患者进行了为期6个月的UC-MSC移植安全性和有效性试验。在Lysholm、WOMAC和短型36 (SF-36) 测量中，接受细胞治疗的组比对照组表现更好。UC-MSC在改善关节方面的治疗潜力通过以下事实得到了证明：在整个随访期间膝关节酸痛没有复发。

同形式间充质干细胞的比较

早发性骨关节炎的病因可能归因于与骨关节炎相关的单基因疾病中很少发生的散发突变。相反，迟发性骨关节炎的特点通常是复杂的临床表现，包括显着的遗传差异和其他危险因素。

不同来源的间充质干细胞具有独特的特性，各有优缺点。BM-MSC是第一个研究的MSC；然而，由于它们具有显着的侵袭性并且在生物体内的可用性有限，它们已被从其他来源获得的间充质干细胞所取代。骨髓来源的基质细胞被广泛用作间充质干细胞的主要临床来源。

由于UC-MSCs具有较强的体外增殖能力、低免疫原性、分离和培养简单以及持续的多向分化潜力，因此经常被使用。检查基因表达表明，与UC-MSC相比，BM-MSC表现出与成骨发育相关的基因水平升高。

UC、羊膜和脂肪来源表现出更大的可及性并具有更好的增殖潜力，但BM-MSCs的增殖能力相对不足。

就组织内的间充质干细胞而言，UC-MSC的浓度最高，其次是羊水和脂肪组织。

就间充质干细胞的增殖潜力而言，UC-MSCs和羊膜来源的MSCs表现出明显的优势，其次是AD-MSCs和BM-MSCs。比较不同类型MSC的免疫调节能力时发现，脐带、羊膜、AD-MSC较BM-MSC表现出更优异的免疫调节能力。

相反，胎盘MSC的免疫调节潜力水平最低。与细胞因子分泌模式相比，UC-MSC比BM-MSC表现出更高的细胞生长因子分泌水平 。

结论

骨关节炎是世界范围内最常见的关节疾病，尤其是在老年人中。然而，骨关节炎尚无有效治疗方法。环境、代谢和炎症因素在OA发病机制的发展中发挥着重要作用。本文深入介绍了治疗骨关节炎的非药理学和药理学方法。骨关节炎的主要治疗目标是减轻疼痛并减缓或阻止疾病的进展。

关节置换术是治疗严重骨关节炎的止痛药的唯一替代治疗方法。虽然关节置换是治疗有症状的终末期骨关节炎的有效方法，但由于植入技术的发展，结果可能并不令人满意。

由于细胞疗法的发展，治疗OA的创新技术得以实现。由于它具有修复软骨和调节免疫系统的能力，它是再生医学的一个突出课题。

根据大量临床前和临床研究，骨关节炎的细胞治疗技术可能受益于间充质干细胞的多能性、自我更新和免疫调节特性，以及它们易于获得和分离。骨髓和脂肪间充质干细胞是最常用的间充质干细胞来源，尽管许多研究调查了它们在使用间充质干细胞时软骨再生的潜力。总的来说，它们在软骨修复和骨关节炎治疗方面表现出了有希望的结果。

参考资料：Gherghel R, Macovei LA, Burlui M-A, Cardoneanu A, Rezus I-I, Mihai IR, Rezus E. Osteoarthritis—The Role of Mesenchymal Stem Cells in Cartilage Regeneration. Applied Sciences. 2023; 13(19):10617. https://doi.org/10.3390/app131910617。

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