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當(dāng)膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎遇上間充質(zhì)干細(xì)胞
更新時(shí)間:2018-02-03  瀏覽次數(shù):
8月14日發(fā)表在PNAS上的一項(xiàng)研究,來(lái)自哈佛大學(xué)的古人類(lèi)學(xué)家Ian Wallace和Daniel Lieberman及其同事研究了近2600具保存在研究或教學(xué)中的骨骼,自1940年以來(lái),膝蓋骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)病率已經(jīng)增加了一倍多,從6%上升到16%。
 

膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎(KOA)是臨床上一種常見(jiàn)的慢性骨關(guān)節(jié)疾病,具有膝關(guān)節(jié)軟骨變性、破壞及骨質(zhì)增生等特點(diǎn),有一定的致殘性。目前該病的發(fā)生與衰老、炎癥、關(guān)節(jié)過(guò)度使用及遺傳等因素相關(guān)。


圖片源自:www.baicaolu.com


在美國(guó)45歲以上的人中,有近20%的人患有膝蓋骨關(guān)節(jié)炎,關(guān)節(jié)軟骨破裂;隨著年齡的增長(zhǎng),該疾病的患病幾率也會(huì)增加??茖W(xué)家們長(zhǎng)期以來(lái)懷疑,這一數(shù)字在最近幾代已經(jīng)上升了。因?yàn)榇蠖鄶?shù)美國(guó)人的壽命比他們的祖父母長(zhǎng),研究人員推測(cè),人口老齡化可能是罪魁禍?zhǔn)字?。另一個(gè)關(guān)節(jié)勞損的嫌疑犯是肥胖,目前美國(guó)超過(guò)三分之一的成年人都有肥胖問(wèn)題,而上世紀(jì)60年代初這一比例為13%。
 
據(jù)世界衛(wèi)生組織調(diào)查研究顯示,目前全世界骨關(guān)節(jié)病患者已超過(guò)4億。在亞洲地區(qū),每6個(gè)人中就有1人在一生的某個(gè)階段患上骨關(guān)節(jié)炎疾病。骨關(guān)節(jié)炎疾病多發(fā)于中老年人,且女性多于男性。
 
我國(guó)的骨關(guān)節(jié)炎患者超過(guò)人口總數(shù)的10%,多達(dá)1億以上,膝關(guān)節(jié)炎致殘率全球第二,且發(fā)病率隨年齡增加而增高,防控形勢(shì)嚴(yán)峻。
 
膝關(guān)節(jié)炎儼然已是現(xiàn)代人的通病,以膝關(guān)節(jié)炎為例,青春期軟骨厚度為2.5公分,隨著年齡增長(zhǎng)、使用頻繁而逐漸變薄,到55歲時(shí)一般只剩下0.5公分,若有外傷或長(zhǎng)年負(fù)重者,軟骨可能更薄,甚至有破裂、骨刺的產(chǎn)生。
 
目前的主要治療以對(duì)乙酰氨基酚、NSAIDs 類(lèi)藥物、潤(rùn)滑劑及類(lèi)固醇激素關(guān)節(jié)腔注射、軟骨保護(hù)劑為主,但這些治療方法的療效有限,且不能阻止疾病的進(jìn)展。
 
隨著干細(xì)胞研究的深入以及生物工程技術(shù)的普遍應(yīng)用,越來(lái)越多的研究者在探索這些技術(shù)方法在骨關(guān)節(jié)炎治療領(lǐng)域中的應(yīng)用可行性,通過(guò)基礎(chǔ)研究和臨床試驗(yàn),試圖找到修復(fù)關(guān)節(jié)軟骨、恢復(fù)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)和功能的方法。這些方法也逐漸展現(xiàn)出較為樂(lè)觀的應(yīng)用前景。

體外培養(yǎng)擴(kuò)增MSCs修復(fù)關(guān)節(jié)軟骨

由于MSCs具有多向分化潛能和高增殖特性,取材容易,組織相容性好,表型穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),在擴(kuò)增過(guò)程中可保留其干細(xì)胞特性,促進(jìn)軟骨細(xì)胞增生。最近發(fā)現(xiàn)其還有營(yíng)養(yǎng)、抗炎、抗免疫特性,因此MSCs是可用于關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞治療來(lái)源的另一選擇。
 

動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)擴(kuò)增培養(yǎng)后的MSCs能夠修復(fù)軟骨和軟骨下骨,并能控制繼發(fā)性骨關(guān)節(jié)炎進(jìn)展。近年來(lái),不斷有MSCs治療骨關(guān)節(jié)炎的相關(guān)研究進(jìn)入臨床試驗(yàn)階段。Soler等開(kāi)展了一項(xiàng)系列臨床試驗(yàn),將自體MSCs進(jìn)行體外擴(kuò)增培養(yǎng)后注入體內(nèi),結(jié)果在損傷區(qū)域出現(xiàn)再生軟骨,并因此認(rèn)為這一療法安全可行。


  MSCs分化調(diào)節(jié)和軟骨細(xì)胞生長(zhǎng)控制

正常關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞能夠在機(jī)體內(nèi)形成穩(wěn)定的軟骨組織,并且能夠?qū)寡苌?、鈣化及軟骨內(nèi)成骨。對(duì)用于骨關(guān)節(jié)炎軟骨修復(fù)的再生軟骨細(xì)胞來(lái)說(shuō),這些都是其需要具備的特性。然而目前維持軟骨細(xì)胞穩(wěn)定性的分子機(jī)制仍不明確。

曾有學(xué)者應(yīng)用經(jīng)典微團(tuán)/微粒高細(xì)胞密度平板進(jìn)行體外實(shí)驗(yàn),觀察MSCs軟骨分化,試圖重啟軟骨化級(jí)聯(lián)反應(yīng),而這種方法所誘導(dǎo)的是一種“非自然”的分化途經(jīng)。結(jié)果除了出現(xiàn)透明軟骨標(biāo)志物的表達(dá)外,還同時(shí)發(fā)現(xiàn)了纖維軟骨和肥厚性軟骨。纖維軟骨的主要特征是以Ⅰ型膠原纖維為主,機(jī)械性能較透明軟骨差,且隨時(shí)間推移更容易發(fā)生退變。

細(xì)胞因子對(duì)干細(xì)胞軟骨化的影響

MSCs具有多向分化潛能,在關(guān)節(jié)組織內(nèi)同時(shí)具有成骨和成軟骨特性。實(shí)際上,在調(diào)節(jié)干細(xì)胞向軟骨細(xì)胞分化的過(guò)程中,在各個(gè)不同的生物階段MSCs分化受到許多因素影響,如細(xì)胞因子、激素、生長(zhǎng)因子等。不僅僅是在分化過(guò)程中,還包括細(xì)胞增殖、凋亡以及維持細(xì)胞穩(wěn)定性這些過(guò)程中,細(xì)胞因子都顯得尤為重要。
 
干細(xì)胞植入方法

要成功實(shí)現(xiàn)干細(xì)胞治療,除合適的細(xì)胞來(lái)源及對(duì)細(xì)胞成軟骨過(guò)程的精確調(diào)控外,還需要選擇合適的植入方法。


細(xì)胞治療模式圖。細(xì)胞、信號(hào)分子、支架是實(shí)現(xiàn)細(xì)胞治療修復(fù)軟骨的三個(gè)重要因素
 
將干細(xì)胞以最恰當(dāng)?shù)姆绞剿腿腙P(guān)節(jié)內(nèi)產(chǎn)生最大化的治療效果。目前在臨床試驗(yàn)中主要采取的方法包括直接植入MSCs細(xì)胞和載MSCs支架植入等方式,在膝關(guān)節(jié)內(nèi)植入MSCs或混合有細(xì)胞因子、生長(zhǎng)因子的MSCs。
 

載MSCs支架植入


支架是向移植細(xì)胞所在微環(huán)境提供營(yíng)養(yǎng)的一種載體,按其構(gòu)成材料不同可分為膠原蛋白、纖維、透明質(zhì)酸等多種類(lèi)型。經(jīng)常被用來(lái)作為細(xì)胞基質(zhì),構(gòu)成細(xì)胞微環(huán)境的細(xì)胞載體。在MSCs 的研究興起之前,就有研究者嘗試?yán)弥Ъ芗夹g(shù)裝載體外培養(yǎng)的軟骨細(xì)胞植入體內(nèi),使細(xì)胞與支架材料達(dá)到高效復(fù)合。Kayakabe 等曾報(bào)告用透明質(zhì)酸凝膠海綿作為載體向兔關(guān)節(jié)內(nèi)移植自體骨髓MSCs,能夠有效修復(fù)損傷的關(guān)節(jié)軟骨,移植12周后可以在損傷的關(guān)節(jié)軟骨周?chē)^察到類(lèi)似修復(fù)后的關(guān)節(jié)軟骨。
 

局部注射MSCs


局部應(yīng)用MSCs有許多優(yōu)點(diǎn),不僅能夠強(qiáng)化關(guān)節(jié)修復(fù),還可減緩骨關(guān)節(jié)炎導(dǎo)致的退變,同時(shí)也是治療骨關(guān)節(jié)炎最簡(jiǎn)單易行的方法。Centeno 等通過(guò)24周的MRI跟蹤監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn),植入自體MSCs能夠刺激軟骨生長(zhǎng),減輕退變關(guān)節(jié)的疼痛癥狀。
 

混合注射


混合注射即干細(xì)胞聯(lián)合生長(zhǎng)因子、細(xì)胞因子與支架混合植入,通過(guò)植入混合有細(xì)胞因子或生長(zhǎng)因子的支架來(lái)提高療效。Mrugala等在含有綿羊MSCs的纖維蛋白凝膠里添加或不添加殼聚糖和TGF-β3移植到骨關(guān)節(jié)炎關(guān)節(jié)內(nèi),結(jié)果發(fā)現(xiàn)植入添加了殼聚糖和TGF-β3的綿MSCs 能夠產(chǎn)生治療效果。
 
富血小板血漿(platelet-rich plasma,PRP)是一種富含TGF-β、血小板源性生長(zhǎng)因子等軟骨化生長(zhǎng)因子的自體組織,可被用來(lái)作為治療軟骨損傷的組織來(lái)源[60]。臨床研究證實(shí)使用富血小板纖維蛋白凝膠治療后膝關(guān)節(jié)功能改善,經(jīng)MRI證實(shí)能夠修復(fù)損傷,且修復(fù)組織與原關(guān)節(jié)面軟骨組織相容性好。Seo等發(fā)現(xiàn),聯(lián)合應(yīng)用雙層凝膠/β-磷酸三鈣與干細(xì)胞、軟骨細(xì)胞、BMP-2 和PRP治療馬距骨軟骨損傷,能夠刺激軟骨再生。

應(yīng)用干細(xì)胞治療的臨床研究

隨著細(xì)胞治療技術(shù)用于動(dòng)物和體外實(shí)驗(yàn)的證據(jù)不斷增多,采用基于軟骨細(xì)胞和間充質(zhì)干細(xì)胞的組織工程技術(shù)修復(fù)關(guān)節(jié)軟骨損傷、實(shí)現(xiàn)軟骨再生已經(jīng)顯示出良好的前景,一些臨床試驗(yàn)也在逐漸開(kāi)展。盡管各項(xiàng)研究存在方法學(xué)差異,療效評(píng)價(jià)體系也不盡相同,但臨床療效整體令人滿(mǎn)意,患者癥狀得到明顯改善。
 
國(guó)外學(xué)者進(jìn)行了一項(xiàng)單中心隨即對(duì)照單盲研究,將14例患者分為兩組,比較MSCs與自體軟骨細(xì)胞植入兩種方式的修復(fù)效果,于手術(shù)后3、6、12、24個(gè)月評(píng)估修復(fù)情況。結(jié)果證實(shí)兩組臨床評(píng)估均較術(shù)前改善,在所有隨訪時(shí)點(diǎn)MSCs處理組功能恢復(fù)更明顯。MSCs治療組在膝關(guān)節(jié)損傷與骨關(guān)節(jié)炎評(píng)分(kenn injury and osteorthritis outcome score,KOOS)中的疼痛、癥狀、日常生活及運(yùn)動(dòng)活力、生活質(zhì)量等子項(xiàng)目評(píng)分和術(shù)后6個(gè)月時(shí)的視覺(jué)模擬評(píng)分(visual analogue scale,VAS)明顯優(yōu)于后者,術(shù)后24個(gè)月復(fù)查MRI提示全部病例均移植成功,因此他們認(rèn)為給予間充質(zhì)干細(xì)胞的治療技術(shù)能夠有效加速軟骨缺損的修復(fù)。
 
2014年韓國(guó)學(xué)者Jo等2×108個(gè)患者自體脂肪來(lái)源間充質(zhì)干細(xì)胞經(jīng)關(guān)節(jié)腔注射治療早期骨關(guān)節(jié)炎,注射后MRI、關(guān)節(jié)鏡和組織學(xué)檢查磨損處軟骨再生明顯。再生的軟骨具有透明樣軟骨組織學(xué)特點(diǎn),患者臨床癥狀得到明顯改善,疼痛減輕或消失,且未見(jiàn)明的顯毒副作用。
 
2015年日本學(xué)者Srkiya等應(yīng)用患者自身的滑膜來(lái)源間充質(zhì)干細(xì)胞移植治療骨關(guān)節(jié)炎,獲得了明顯的治療效果。
 
浙江湖州市第三人民醫(yī)院對(duì)照了透明質(zhì)酸鈉與UC-MSCs治療中重度膝骨關(guān)節(jié)炎后得出結(jié)論,UC-MSCs移植治療嚴(yán)重膝骨關(guān)節(jié)炎較透明質(zhì)酸鈉能更快速、更顯著、更持久地減輕關(guān)節(jié)疼痛、改善關(guān)節(jié)功能。
 
研究人員將臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞和玻璃酸鈉注射至骨關(guān)節(jié)炎患者受損組織內(nèi)。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的觀察結(jié)果顯示,臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞聯(lián)合玻璃酸鈉修復(fù)骨關(guān)節(jié)炎缺損的效果十分明顯,缺損部位檢測(cè)到新生軟骨信號(hào),軟骨缺損部位重新覆蓋了白色軟骨樣組織,新長(zhǎng)出的軟骨組織與自身軟骨組織結(jié)合緊密,較光滑,有軟骨光澤,且結(jié)構(gòu)與正常軟骨類(lèi)似。
 
贛南醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院觀察臍帶血來(lái)源的間充質(zhì)干細(xì)胞移植治療膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎臨床療效。研究小組從2011年9月~2013年3月篩選該院住院的膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎患者12例,隨機(jī)分為治療組和對(duì)照組各6例。治療組進(jìn)行臍帶血來(lái)源的間充質(zhì)干細(xì)胞移植治療,對(duì)照組關(guān)節(jié)腔注射玻璃酸鈉。
 
研究顯示,臍帶血來(lái)源的間充質(zhì)干細(xì)胞移植治療膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎可明顯改善膝關(guān)節(jié)疼痛及功能,可能成為膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎治療的新方法。
 
參與者中71名接受自體MSCs注入,接下來(lái)的94名接受自體MSC與纖維蛋白膠支架植入。其中,52名在注射組的患者和63名在植入組的患者同意后續(xù)關(guān)節(jié)鏡評(píng)估。對(duì)所有的病人,干細(xì)胞取自脂肪組織,準(zhǔn)備好的干細(xì)胞平均值為4.01×106 。結(jié)論:本項(xiàng)對(duì)膝骨關(guān)節(jié)炎患者的研究發(fā)現(xiàn),間充質(zhì)干細(xì)胞能夠?qū)窍リP(guān)節(jié)炎產(chǎn)生顯著的改善,尤其是在關(guān)節(jié)鏡下手術(shù)植入者中。
 
間充質(zhì)干細(xì)胞在膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎治療中已經(jīng)展現(xiàn)出更快速、更顯著、更持久地減輕關(guān)節(jié)疼痛,改善關(guān)節(jié)功能的特點(diǎn),期待更高證據(jù)水平的研究和更有突破性的細(xì)胞治療技術(shù),進(jìn)一步推動(dòng)這一技術(shù)的發(fā)展。
 
參考資料
1、 doi:10.1126/science.aan7238
2、 間充質(zhì)干細(xì)胞移植治療膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎臨床觀察
3、 Compapative Matched-Analysis of the Injection versus Implantation of Mesenchymal Stem Cells for Knee Osteo - arthritis  
4、 4.周強(qiáng),李起鴻,戴剛,等.關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞三維支架雙向接種體外生成軟骨組織的觀察[J].中華骨科雜志.2002.22(6):372-276.
DOI:10.3760/j.jssn:0253-2352.2002.06.014
5、臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞治療嚴(yán)重膝骨關(guān)節(jié)的對(duì)照研究