當膝關節骨關節炎遇上間充質干細胞
更新時間：2018-02-03 瀏覽次數：
8月14日發表在PNAS上的一項研究，來自哈佛大學的古人類學家Ian Wallace和Daniel Lieberman及其同事研究了近2600具保存在研究或教學中的骨骼，自1940年以來，膝蓋骨關節炎的發病率已經增加了一倍多，從6%上升到16%。
據世界衛生組織調查研究顯示，目前全世界骨關節病患者已超過4億。在亞洲地區，每6個人中就有1人在一生的某個階段患上骨關節炎疾病。骨關節炎疾病多發于中老年人，且女性多于男性。
我國的骨關節炎患者超過人口總數的10％，多達1億以上，膝關節炎致殘率全球第二，且發病率隨年齡增加而增高，防控形勢嚴峻。
膝關節炎儼然已是現代人的通病，以膝關節炎為例，青春期軟骨厚度為2.5公分，隨著年齡增長、使用頻繁而逐漸變薄，到55歲時一般只剩下0.5公分，若有外傷或長年負重者，軟骨可能更薄，甚至有破裂、骨刺的產生。
目前的主要治療以對乙酰氨基酚、NSAIDs 類藥物、潤滑劑及類固醇激素關節腔注射、軟骨保護劑為主，但這些治療方法的療效有限，且不能阻止疾病的進展。
隨著干細胞研究的深入以及生物工程技術的普遍應用，越來越多的研究者在探索這些技術方法在骨關節炎治療領域中的應用可行性，通過基礎研究和臨床試驗，試圖找到修復關節軟骨、恢復關節結構和功能的方法。這些方法也逐漸展現出較為樂觀的應用前景。
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，表型穩定等優點，在擴增過程中可保留其干細胞特性，促進軟骨細胞增生。最近發現其還有營養、抗炎、抗免疫特性，因此MSCs是可用于關節軟骨細胞治療來源的另一選擇。
正常關節軟骨細胞能夠在機體內形成穩定的軟骨組織，并且能夠對抗血管生成、鈣化及軟骨內成骨。對用于骨關節炎軟骨修復的再生軟骨細胞來說，這些都是其需要具備的特性。然而目前維持軟骨細胞穩定性的分子機制仍不明確。
曾有學者應用經典微團/微粒高細胞密度平板進行體外實驗，觀察MSCs軟骨分化，試圖重啟軟骨化級聯反應，而這種方法所誘導的是一種“非自然”的分化途經。結果除了出現透明軟骨標志物的表達外，還同時發現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，機械性能較透明軟骨差，且隨時間推移更容易發生退變。
MSCs具有多向分化潛能，在關節組織內同時具有成骨和成軟骨特性。實際上，在調節干細胞向軟骨細胞分化的過程中，在各個不同的生物階段MSCs分化受到許多因素影響，如細胞因子、激素、生長因子等。不僅僅是在分化過程中，還包括細胞增殖、凋亡以及維持細胞穩定性這些過程中，細胞因子都顯得尤為重要。
將干細胞以最恰當的方式送入關節內產生最大化的治療效果。目前在臨床試驗中主要采取的方法包括直接植入MSCs細胞和載MSCs支架植入等方式，在膝關節內植入MSCs或混合有細胞因子、生長因子的MSCs。
富血小板血漿（platelet-rich plasma，PRP）是一種富含TGF-β、血小板源性生長因子等軟骨化生長因子的自體組織，可被用來作為治療軟骨損傷的組織來源［60］。臨床研究證實使用富血小板纖維蛋白凝膠治療后膝關節功能改善，經MRI證實能夠修復損傷，且修復組織與原關節面軟骨組織相容性好。Seo等發現，聯合應用雙層凝膠/β-磷酸三鈣與干細胞、軟骨細胞、BMP-2 和PRP治療馬距骨軟骨損傷，能夠刺激軟骨再生。
隨著細胞治療技術用于動物和體外實驗的證據不斷增多，采用基于軟骨細胞和間充質干細胞的組織工程技術修復關節軟骨損傷、實現軟骨再生已經顯示出良好的前景，一些臨床試驗也在逐漸開展。盡管各項研究存在方法學差異，療效評價體系也不盡相同，但臨床療效整體令人滿意，患者癥狀得到明顯改善。
國外學者進行了一項單中心隨即對照單盲研究，將14例患者分為兩組，比較MSCs與自體軟骨細胞植入兩種方式的修復效果，于手術后3、6、12、24個月評估修復情況。結果證實兩組臨床評估均較術前改善，在所有隨訪時點MSCs處理組功能恢復更明顯。MSCs治療組在膝關節損傷與骨關節炎評分（kenn injury and osteorthritis outcome score,KOOS）中的疼痛、癥狀、日常生活及運動活力、生活質量等子項目評分和術后6個月時的視覺模擬評分(visual analogue scale,VAS)明顯優于后者,術后24個月復查MRI提示全部病例均移植成功，因此他們認為給予間充質干細胞的治療技術能夠有效加速軟骨缺損的修復。
2014年韓國學者Jo等2×108個患者自體脂肪來源間充質干細胞經關節腔注射治療早期骨關節炎，注射后MRI、關節鏡和組織學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特點，患者臨床癥狀得到明顯改善，疼痛減輕或消失，且未見明的顯毒副作用。
2015年日本學者Srkiya等應用患者自身的滑膜來源間充質干細胞移植治療骨關節炎，獲得了明顯的治療效果。
浙江湖州市第三人民醫院對照了透明質酸鈉與UC-MSCs治療中重度膝骨關節炎后得出結論，UC-MSCs移植治療嚴重膝骨關節炎較透明質酸鈉能更快速、更顯著、更持久地減輕關節疼痛、改善關節功能。
研究人員將臍帶間充質干細胞和玻璃酸鈉注射至骨關節炎患者受損組織內。經過一段時間的觀察結果顯示，臍帶間充質干細胞聯合玻璃酸鈉修復骨關節炎缺損的效果十分明顯，缺損部位檢測到新生軟骨信號，軟骨缺損部位重新覆蓋了白色軟骨樣組織，新長出的軟骨組織與自身軟骨組織結合緊密，較光滑，有軟骨光澤，且結構與正常軟骨類似。
贛南醫學院第一附屬醫院觀察臍帶血來源的間充質干細胞移植治療膝關節骨關節炎臨床療效。研究小組從2011年9月～2013年3月篩選該院住院的膝關節骨關節炎患者12例，隨機分為治療組和對照組各6例。治療組進行臍帶血來源的間充質干細胞移植治療，對照組關節腔注射玻璃酸鈉。
研究顯示，臍帶血來源的間充質干細胞移植治療膝關節骨關節炎可明顯改善膝關節疼痛及功能，可能成為膝關節骨關節炎治療的新方法。
參與者中71名接受自體MSCs注入，接下來的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關節鏡評估。對所有的病人，干細胞取自脂肪組織，準備好的干細胞平均值為4.01×10６ 。結論：本項對膝骨關節炎患者的研究發現，間充質干細胞能夠對骨膝關節炎產生顯著的改善，尤其是在關節鏡下手術植入者中。
間充質干細胞在膝關節骨關節炎治療中已經展現出更快速、更顯著、更持久地減輕關節疼痛，改善關節功能的特點，期待更高證據水平的研究和更有突破性的細胞治療技術，進一步推動這一技術的發展。
參考資料
1、 doi:10.1126/science.aan7238
2、 間充質干細胞移植治療膝關節骨關節炎臨床觀察
3、 Compapative Matched-Analysis of the Injection versus Implantation of Mesenchymal Stem Cells for Knee Osteo - arthritis
4、 4.周強，李起鴻，戴剛，等.關節軟骨細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、臍帶間充質干細胞治療嚴重膝骨關節的對照研究
膝關節骨關節炎（KOA）是臨床上一種常見的慢性骨關節疾病，具有膝關節軟骨變性、破壞及骨質增生等特點，有一定的致殘性。目前該病的發生與衰老、炎癥、關節過度使用及遺傳等因素相關。
圖片源自：www.baicaolu.com
據世界衛生組織調查研究顯示，目前全世界骨關節病患者已超過4億。在亞洲地區，每6個人中就有1人在一生的某個階段患上骨關節炎疾病。骨關節炎疾病多發于中老年人，且女性多于男性。
我國的骨關節炎患者超過人口總數的10％，多達1億以上，膝關節炎致殘率全球第二，且發病率隨年齡增加而增高，防控形勢嚴峻。
膝關節炎儼然已是現代人的通病，以膝關節炎為例，青春期軟骨厚度為2.5公分，隨著年齡增長、使用頻繁而逐漸變薄，到55歲時一般只剩下0.5公分，若有外傷或長年負重者，軟骨可能更薄，甚至有破裂、骨刺的產生。
目前的主要治療以對乙酰氨基酚、NSAIDs 類藥物、潤滑劑及類固醇激素關節腔注射、軟骨保護劑為主，但這些治療方法的療效有限，且不能阻止疾病的進展。
隨著干細胞研究的深入以及生物工程技術的普遍應用，越來越多的研究者在探索這些技術方法在骨關節炎治療領域中的應用可行性，通過基礎研究和臨床試驗，試圖找到修復關節軟骨、恢復關節結構和功能的方法。這些方法也逐漸展現出較為樂觀的應用前景。
▆ 體外培養擴增MSCs修復關節軟骨
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，表型穩定等優點，在擴增過程中可保留其干細胞特性，促進軟骨細胞增生。最近發現其還有營養、抗炎、抗免疫特性，因此MSCs是可用于關節軟骨細胞治療來源的另一選擇。
動物實驗研究發現擴增培養后的MSCs能夠修復軟骨和軟骨下骨，并能控制繼發性骨關節炎進展。近年來，不斷有MSCs治療骨關節炎的相關研究進入臨床試驗階段。Soler等開展了一項系列臨床試驗，將自體MSCs進行體外擴增培養后注入體內，結果在損傷區域出現再生軟骨，并因此認為這一療法安全可行。
▆ MSCs分化調節和軟骨細胞生長控制
曾有學者應用經典微團/微粒高細胞密度平板進行體外實驗，觀察MSCs軟骨分化，試圖重啟軟骨化級聯反應，而這種方法所誘導的是一種“非自然”的分化途經。結果除了出現透明軟骨標志物的表達外，還同時發現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，機械性能較透明軟骨差，且隨時間推移更容易發生退變。
▆ 細胞因子對干細胞軟骨化的影響
MSCs具有多向分化潛能，在關節組織內同時具有成骨和成軟骨特性。實際上，在調節干細胞向軟骨細胞分化的過程中，在各個不同的生物階段MSCs分化受到許多因素影響，如細胞因子、激素、生長因子等。不僅僅是在分化過程中，還包括細胞增殖、凋亡以及維持細胞穩定性這些過程中，細胞因子都顯得尤為重要。
▆ 干細胞植入方法
要成功實現干細胞治療，除合適的細胞來源及對細胞成軟骨過程的精確調控外，還需要選擇合適的植入方法。
細胞治療模式圖。細胞、信號分子、支架是實現細胞治療修復軟骨的三個重要因素
將干細胞以最恰當的方式送入關節內產生最大化的治療效果。目前在臨床試驗中主要采取的方法包括直接植入MSCs細胞和載MSCs支架植入等方式，在膝關節內植入MSCs或混合有細胞因子、生長因子的MSCs。
載MSCs支架植入
局部注射MSCs
混合注射
富血小板血漿（platelet-rich plasma，PRP）是一種富含TGF-β、血小板源性生長因子等軟骨化生長因子的自體組織，可被用來作為治療軟骨損傷的組織來源［60］。臨床研究證實使用富血小板纖維蛋白凝膠治療后膝關節功能改善，經MRI證實能夠修復損傷，且修復組織與原關節面軟骨組織相容性好。Seo等發現，聯合應用雙層凝膠/β-磷酸三鈣與干細胞、軟骨細胞、BMP-2 和PRP治療馬距骨軟骨損傷，能夠刺激軟骨再生。
▆ 應用干細胞治療的臨床研究
隨著細胞治療技術用于動物和體外實驗的證據不斷增多，采用基于軟骨細胞和間充質干細胞的組織工程技術修復關節軟骨損傷、實現軟骨再生已經顯示出良好的前景，一些臨床試驗也在逐漸開展。盡管各項研究存在方法學差異，療效評價體系也不盡相同，但臨床療效整體令人滿意，患者癥狀得到明顯改善。
國外學者進行了一項單中心隨即對照單盲研究，將14例患者分為兩組，比較MSCs與自體軟骨細胞植入兩種方式的修復效果，于手術后3、6、12、24個月評估修復情況。結果證實兩組臨床評估均較術前改善，在所有隨訪時點MSCs處理組功能恢復更明顯。MSCs治療組在膝關節損傷與骨關節炎評分（kenn injury and osteorthritis outcome score,KOOS）中的疼痛、癥狀、日常生活及運動活力、生活質量等子項目評分和術后6個月時的視覺模擬評分(visual analogue scale,VAS)明顯優于后者,術后24個月復查MRI提示全部病例均移植成功，因此他們認為給予間充質干細胞的治療技術能夠有效加速軟骨缺損的修復。
2014年韓國學者Jo等2×108個患者自體脂肪來源間充質干細胞經關節腔注射治療早期骨關節炎，注射后MRI、關節鏡和組織學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特點，患者臨床癥狀得到明顯改善，疼痛減輕或消失，且未見明的顯毒副作用。
2015年日本學者Srkiya等應用患者自身的滑膜來源間充質干細胞移植治療骨關節炎，獲得了明顯的治療效果。
浙江湖州市第三人民醫院對照了透明質酸鈉與UC-MSCs治療中重度膝骨關節炎后得出結論，UC-MSCs移植治療嚴重膝骨關節炎較透明質酸鈉能更快速、更顯著、更持久地減輕關節疼痛、改善關節功能。
研究人員將臍帶間充質干細胞和玻璃酸鈉注射至骨關節炎患者受損組織內。經過一段時間的觀察結果顯示，臍帶間充質干細胞聯合玻璃酸鈉修復骨關節炎缺損的效果十分明顯，缺損部位檢測到新生軟骨信號，軟骨缺損部位重新覆蓋了白色軟骨樣組織，新長出的軟骨組織與自身軟骨組織結合緊密，較光滑，有軟骨光澤，且結構與正常軟骨類似。
贛南醫學院第一附屬醫院觀察臍帶血來源的間充質干細胞移植治療膝關節骨關節炎臨床療效。研究小組從2011年9月～2013年3月篩選該院住院的膝關節骨關節炎患者12例，隨機分為治療組和對照組各6例。治療組進行臍帶血來源的間充質干細胞移植治療，對照組關節腔注射玻璃酸鈉。
研究顯示，臍帶血來源的間充質干細胞移植治療膝關節骨關節炎可明顯改善膝關節疼痛及功能，可能成為膝關節骨關節炎治療的新方法。
參與者中71名接受自體MSCs注入，接下來的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關節鏡評估。對所有的病人，干細胞取自脂肪組織，準備好的干細胞平均值為4.01×10６ 。結論：本項對膝骨關節炎患者的研究發現，間充質干細胞能夠對骨膝關節炎產生顯著的改善，尤其是在關節鏡下手術植入者中。
間充質干細胞在膝關節骨關節炎治療中已經展現出更快速、更顯著、更持久地減輕關節疼痛，改善關節功能的特點，期待更高證據水平的研究和更有突破性的細胞治療技術，進一步推動這一技術的發展。
參考資料
1、 doi:10.1126/science.aan7238
2、 間充質干細胞移植治療膝關節骨關節炎臨床觀察
3、 Compapative Matched-Analysis of the Injection versus Implantation of Mesenchymal Stem Cells for Knee Osteo - arthritis
4、 4.周強，李起鴻，戴剛，等.關節軟骨細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、臍帶間充質干細胞治療嚴重膝骨關節的對照研究