膝關節軟骨修復之幹細胞修復臨床

膝關節軟骨損傷和破壞是臨床上較為常見的一類疾病，關節軟骨結構特殊，創傷或軟骨退行性變而受到破壞後可表現為局灶性關節軟骨缺損或廣泛性損傷。

軟骨基質中軟骨細胞轉化率較低，本身缺乏血液供應，關節軟骨自身修復極為有限。臨床上膝關節軟骨修復有多種方法可供選擇，如關節鏡下清創術、微骨折術、自體或異體軟骨移植、軟骨細胞移植、幹細胞（SC）組織工程化軟骨修復及基因治療技術。

這些臨床治療技術中，最有前景的可能是幹細胞組織工程軟骨修復技術，而幹細胞治療技術成為世界上近些年器官修復的研究熱點。

本文通過介紹幾種不同組織來源間充質幹細胞（MSCs）對膝關節軟骨修復作用的臨床初步研究成果，為臨床更多和更深入地研究軟骨幹細胞修復提供可靠的應用基礎。

MSCs概述

幹細胞是一類具有自我複製和多向分化能力的細胞，可不斷自我更新，是形成機體各種組織器官的始祖細胞。幹細胞家族一個重要成員———MSCs存在於多種組織中，包括骨髓來源MSCs（BM－MSCs）、脂肪組織來源MSCs（AD－MSCs）、滑膜組織來源MSCs（SMSCs）以及臍帶血來源MSCs（UCBMSCs）等等，現都已應用於軟骨細胞動物實驗或臨床研究中。

不同來源MSCs膝關節軟骨修復的臨床研究

從近些年國外文獻所報導的臨床試驗研究來看，MSCs在人膝關節軟骨修復中的臨床研究還缺乏足以達到臨床普及應用的標準，僅停留在初步階段。研究表明在軟骨損傷部位植入MSCs，會表現出歸巢、營養和免疫調節作用，而這些作用將影響周圍正常軟骨細胞壽命與活動能力。

實驗證實注射MSCs已成功用於治療人類、動物病變和損傷的軟骨、骨骼，使關節軟骨得到修復。尤其是MSCs相對於培養自體或異體軟骨細胞，其效率更高並能促進損傷部位軟骨再生，已表現出良好的應用前景。

骨髓來源MSCs（BM－MSCs）

BM－MSCs是幹細胞家族重要成員，來源於發育早期的中胚層和外胚層。獲得BM－MSCs主要部位為髂嵴、脛骨或股骨，可通過骨鑽孔抽吸骨髓採集。骨髓是治療膝關節軟骨損傷目前最常見且較早有效的MSCs來源。通過幹細胞移植和結合軟骨組織工程技術，BM－MSCs在膝關節軟骨臨床修復中取得了較好的療效，而且，幹細胞結合軟骨組織工程技術如支架材料、特定生長因子、合適培養環境等處理要優於單純的幹細胞種植。

近年來，軟骨組織工程技術有重要突破，其對膝關節軟骨修復有了新的進展。Kasemkijwattana等報導了2例使用BM－MSCs和支架修復關節軟骨損傷的臨床研究，結果表現軟骨癒合良好。研究還發現若在高密度培養條件下且有特定介質如地塞米松轉化生長因子－β（TGF－β）參與，軟骨將更易形成。在此基礎上，Nejadnik等報導了一項非隨機研究，比較種植BM－MSCs和軟骨細胞的不同臨床療效，二者均輔助使用膠原蛋白和骨膜貼片作為支架材料。其SF－36量表、IKDC以及Lysholm評分表明種植BM－MSCs對膝關節軟骨修復的臨床治療更具研究價值。上述研究從不同角度證實軟骨組織工程中種子細胞、支架材料、特定生長因子、合適的培養環境對膝關節軟骨修復具有促進作用，能增強臨床治療效果。

脂肪組織來源MSCs（AD－MSCs）

脂肪組織現也成為獲取MSCs的一個重要來源，AD－MSCs經分離後能穩定擴增，並因其多向分化潛能對膝關節軟骨臨床修復有重要的意義。目前獲得AD－MSCs一般通過脂肪抽吸術，該種方式對人體侵入性小，提取量多。AD－MSCs很小，有不同的基因表達形式和細胞表面標誌物，可在衰老前通過多信號通路使其增殖率提高。AD－MSCs和軟骨細胞間的相互作用便是一種由生長因子介導的信號通路，能促進軟骨修復和再生，有助於組織工程學不斷發展。儘管AD－MSCs與BM－MSCs存在一定區別，但AD－MSCs在體外具有向成軟骨細胞、成骨細胞、脂肪細胞、成肌細胞和神經細胞等多向分化潛能，臨床應用較為廣泛。

AD－MSCs治療技術現已應用到膝關節軟骨缺損及OA的臨床治療中，並顯示損傷處軟骨修復程度有所提高。2014年Koh等報導了一項應用AD－MSCs治療膝關節軟骨缺損患者的研究。該研究先利用關節鏡清理創傷部位，並將培養的AD－MSCs懸濁液填充至缺損處，後將膝關節固定，局部提供MSCs使其貼壁生長以促進損傷部位軟骨再生。此研究共觀察35位患者，結果顯示94％的患者對治療效果總體滿意，而根據國際軟骨修復學會（ICRS）的標準進行二次關節鏡檢查發現，僅24％的患者軟骨癒合修復等級為正常或接近正常，這其間產生的差異性需深入研究。AD－MSCs移植技術的產生與發展推進了膝關節軟骨修復的研究進程，相較之BM－MSCs移植有了新的突破。

為進一步探索AD－MSCs修復膝關節軟骨損傷的有益效應，Koh等另進行了一項比較性研究。將44位患者分為兩組，實施脛骨高位截骨術時分別在其關節腔內注入富血小板血漿（PRP）和注入AD－MSCs與PRP。在隨後2年內，結合患者臨床表現和關節鏡檢查結果，並使用膝關節損傷和骨關節炎預後評分（KOOS）以及Lysholm評分對患者進行評估，最終結論為幹細胞療法組優於對照組，軟骨修復程度更可靠。AD－MSCs在BM－MSCs臨床治療的基礎上，逐步進行相關基礎實驗和臨床研究，這為AD－MSCs軟骨組織工程技術以及其他來源MSCs的進一步研究作鋪墊，具有一定臨床意義。

Kim等進行了一項與上述實驗略不同的研究，使用支架輔助AD－MSCs治療軟骨損傷。在共54例患者早期膝OA軟骨缺損治療中，對比單獨注入MSCs懸浮液以及與纖維蛋白膠支架共同注入的不同結果。兩年後，國際軟骨修復學會（ICRS）評分、IKDC評分以及二次關節鏡複查結果顯示，在膝關節損傷部位同時注入MSCs和支架軟骨修復效果更好。在此基礎上，Sheykhhasan等對不同支架材料進行比較，重點研究纖維蛋白膠的性能，發現其能為AD－MSCs的增殖和分化提供更適宜的微環境，並提高軟骨細胞基因的表達水平。這些研究均說明利用MSCs修復軟骨時可藉助細胞支架以提高臨床療效，且適宜的支架將起到促進性作用。上述應用AD－MSCs的軟骨組織工程技術在膝關節軟骨修復中具有重要的臨床應用價值。

AD－MSCs有成軟骨能力，也具備很多移植優勢。但有比較性研究表明，相對其他來源MSCs，ADMSCs成軟骨潛能較低，所產生基質蛋白的軟骨特異性低且Ⅱ型膠原基因表達率低。因而，為進一步優化AD－MSCs的成軟骨潛能需學者們更深入研究。

滑膜組織來源MSCs（SMSCs）

SMSCs是來源於滑膜組織中具有自我更新和多向分化潛能的成體幹細胞，在合適條件下可分化為軟骨細胞。SMSCs在活體內能實現自我調控，這對膝關節軟骨修復有促進作用。值得關注的是，滑膜組織和關節軟骨由相同間充質前體細胞發育而來，且滑膜組織具有部分切除後迅速再生的特點。通過關節鏡獲取SMSCs，對身體侵入性低，併發症少。SMSCs比其他MSCs有更強的增殖能力和軟骨形成能力，尤其是添加骨形態發生蛋白－2進行培養後效果更為顯著。因此，SMSCs是膝關節軟骨修復很好的細胞來源，形成的軟骨組織也更具關節特異性。

臨床上研究SMSCs在膝關節軟骨修復中的作用並不多見，對其認識程度也不夠深入，但明確的是：SMSCs可促進軟骨修復和再生。Sekiya等在患者股骨髁軟骨損傷處行關節鏡下清創術並將SMSCs懸浮液注入軟骨缺損部位。該項研究共10例患者，術後52個月Lysholm評分顯示軟骨修復明顯改善，MRI和二次關節鏡檢查也可證實這一結果。在Sekiya等研究基礎上，為對比軟骨細胞和MSCs移植的療效差異，Akgun等進行了一項隨機試驗，在膝關節軟骨缺損治療中，比較植入基質誘導SMSCs和植入軟骨細胞的不同結果。研究中將14例患者隨機分為兩組，並於手術2年後使用KOOS和視覺模擬評分（VAS）對患者進行評估，結果顯示植入SMSCs修復軟骨療效更好。滑膜組織因其高度的軟骨分化潛能是MSCs的研究重點，其對膝關節軟骨修復更具臨床價值。在生理和病理條件下，滑膜均可轉變為軟骨組織，若滑膜移植物能直接用來修復關節軟骨，就無須再進行細胞分離和培養，而且還可保留SMSCs的生理性微環境。在體內試驗中，合適的刺激可使這些細胞從滑膜組織遷移到軟骨損傷區域，並進一步分化為軟骨細胞。因而，SMSCs有深入研究的必要，筆者認為其對膝關節軟骨修復將發揮無可替代的作用。

SMSCs的研究推進了SMSCs軟骨組織工程技術的進一步發展，Koizumi等的臨床研究表明SMSCs能為同種異體組織工程化軟骨修復提供一種較為有效的MSCs來源。SMSCs因含量豐富、擴增迅速、生物性能穩定及軟骨分化潛能強等優勢而作為軟骨組織工程的種子細胞，與其相關的臨床研究有望為關節軟骨修復這一世界性難題的解決提供一種新途徑。

總結與展望

膝關節軟骨臨床修復的MSCs治療是近些年臨床醫學領域的研究熱點，MSCs對膝關節軟骨修復已表現出明顯的治療優勢，學者們從臨床上初步研究了不同來源的MSCs膝關節軟骨修復療效，其來源豐富，包括骨髓、脂肪、滑膜、臍帶血等組織，各具一定的優勢和局限性，在軟骨修復中發揮著重要的作用。結合軟骨組織工程技術，MSCs對軟骨細胞修復具有明顯的增強作用。目前臨床研究仍處於試驗階段，尚無確切定論何種幹細胞及何種技術處理最適合於人類軟骨的修復，這需要大規模或結合新處理技術的臨床試驗以及遠期臨床效果的驗證，也為今後臨床的深入研究提供基礎。

此外，相對於骨髓和脂肪來源的MSCs來說，滑膜、臍帶血以及其他如外周血、牙髓、真皮、肌肉、羊膜、骨膜、松質骨等組織來源的MSCs在臨床研究中尚不多，未來需要對這些幹細胞進行更多的臨床試驗以評估其是否適合人類關節軟骨的修復。同時，要增進對MSCs生物學功能更深層次的認識，繼續探索更適於修復軟骨的天然或人工合成支架材料以及促進軟骨修復的生長因子，使新生軟骨更接近自體軟骨的生物學和機械特性。通過對這些問題的進一步研究，挖掘MSCs治療膝關節軟骨損傷的臨床最佳方法，這對未來骨科領域發展有重要的臨床價值。可喜的是，我國已剛觸及幹細胞的軟骨修復臨床試應用研究，相信不久的將來損傷或缺損的軟骨可被合適的幹細胞代替發揮正常的軟骨功能。