间充质干细胞复合多孔钽治疗骨关节炎的研究进展

李思雨，刘凯楠，王思涵，李粤源，崔逸爽，王 茜

华北理工大学，河北唐山 063200 1公共卫生学院；2基础医学院；3临床医学院

骨关节炎(osteoarthritis，OA)是常见的进行性骨科疾病，累及身体多处部位，包括膝关节、腰椎、颈部、手部和髋关节等，其主要病理特征是软骨损伤，伴有骨赘形成、关节间隙变窄和软骨下硬化等，多发于中老年人群，严重降低患者的生活质量[1-2]。OA初期以保守治疗为主，如理疗[2]、药物治疗[3]和关节腔注射治疗[4]等；晚期症状严重则需手术治疗，如截骨术[5]和关节置换术[6]等。这些治疗方法能暂时缓解症状，但无法彻底治愈，不能阻止软骨进一步退化，且手术创伤大，具有一定风险性。如今，组织工程学已广泛应用于关节软骨缺损的修复，其包括使用种子细胞、生物相容性支架和适当的生物化学因子修复/替代器官或组织内特定受损空间的所有程序[7-10]。多数研究者已经确定间充质干细胞(mesenchyma stem cells，MSCs)作为种子细胞的优势[11-12]。传统的生物材料支架往往难以兼具生物相容性和机械性能。近年来金属材料中的多孔钽(porous tantalum，PT)因其优越的性能引起关注。本文就国内外使用间充质干细胞和(或)金属材料PT治疗OA的作用进行综述，旨在引起人们对其潜在机制的探索，提高对软骨缺损与修复的认识，为后期研究提供参考。

1 软骨缺损修复的组织工程

近20年来，软骨组织工程领域取得了重大进展，成为最有前途的软骨组织重建治疗策略。组织工程应用生物学和工程学原理，为受损组织或器官的再生提供了先进的治疗方案，主要包括三大要素，即种子细胞、生物支架材料和生物化学因子。

1.1 种子细胞 组织工程学促进受损软骨的修复和再生。种子细胞是软骨组织工程所必需的，它决定着受损组织的功能再生程度。在软骨组织工程中，种子细胞大多来源于软骨细胞或多向分化潜能MSCs。

获取软骨组织具有很大的限制，常导致对患者的二次损伤，单一培养几代之后，软骨细胞多失去其自然表型并经历退化，导致无效的修复。MSCs具有来源丰富、易于获取和体外扩增迅速等其他细胞难以比拟的优势，成为软骨组织工程中首选的“种子细胞”。

早在1968年，Friedenstein等[13]在骨髓中发现了干细胞/前体细胞。在后续的研究中，Caplan[14]将这些细胞进一步命名为“mesenchymal stem cells”。目前MSCs已成为促进软骨修复的研究热点。多种基础研究已表明OA与MSCs的功能退化和衰老有关。Krüger等[15]研究发现OA患者MSCs的增殖能力和分化潜能降低。Čamernik等[16]发现原发性OA的病理多伴有MSCs衰竭。Markides等[17]研究表明，绵羊骨软骨缺损模型中自体MSCs的归巢能力有限。此外，针对MSCs治疗OA的临床研究也取得一定进展。Song等[18]收集了使用MSCs治疗膝OA的临床试验(2019年4月之前)，包括随机对照试验、回顾性研究和队列研究，对MSCs治疗膝OA的有效性和安全性进行评估，结果显示，与对照组相比，MSCs治疗可以显著降低视觉模拟评分以及安大略省西部大学和麦克马斯特大学的OA指数评分。Emadedin等[19]通过一项随机、三盲、安慰剂对照的随机对照试验证实了关节内植入自体骨髓间充质干细胞(bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs)治疗膝骨性关节炎的安全性和有效性。提示MSCs已经应用于OA的治疗，并显示出良好的结果和巨大的应用前景。

MSCs可能通过以下机制修复或再生软骨。1) MSCs多能分化潜能：MSCs能够分化为中胚层谱系的细胞，包括成骨细胞、软骨细胞和脂肪细胞等。多种细胞因子的添加和支架的共培养可以促进MSCs向软骨细胞分化。TGF-β已成为诱导多种干细胞向软骨细胞分化以及修复软骨组织不可缺少的成分。Fang等[20]发现TGF-β可以促进Smad2的磷酸化及其核转位，从而上调软骨标志物SOX9、α-Acan和Ⅱ型胶原的转录和翻译。Frisch等[21]使MSCs高表达TGF-β，结果显示软骨形成标志物(如SOX9和Ⅱ型胶原)的表达升高，再次证实TGF-β促进MSCs的软骨向分化。2)MSCs归巢作用：MSCs归巢是治疗OA的重要环节，其过程可以归纳为MSCs在组织的血管系统内停滞，随后跨内皮细胞迁移[22]。这一过程是极其复杂的，黏附分子、趋化因子受体和金属蛋白酶分子类别的酶的表达和功能对于MSCs从外周血运输到特定的靶器官是必不可少的[23]。体外扩增培养的MSCs可高表达某些介导归巢的细胞黏附分子(如α4、α5和α1整合素等)，低水平表达或缺失其他相关的黏附和趋化因子受体(如PSGL-1和CXCR4)[24]。3)MSCs的免疫学作用：首先，MSCs具有低免疫原性和较低的抗原提呈能力[23,25-26]；其次，MSCs能够对多种免疫细胞起调节作用，直接抑制T细胞的激活或增殖并诱导T细胞的凋亡，影响抗原提呈细胞的分化、成熟和功能，从而使其转化为抑制性或耐受性表型[27]。此外，MSCs的主要潜力在于旁分泌功能，可通过分泌细胞因子间接介导免疫细胞，包括免疫调节因子、抗炎因子和趋化因子，进而发挥免疫调节作用[28-30]。目前MSCs的免疫抑制作用已得到证实，并取得了一定的临床治疗效果，但MSCs的免疫调节作用受诸多因素的影响，如何调控MSCs的免疫调节仍然需要进一步研究。

1.2 生物材料支架 “种子细胞”活性对功能性软骨组织的再生起着关键作用。然而，在没有合适支架的情况下加工处理种子细胞MSCs过程中往往会出现肥大、退化等不良变化，阻碍软骨组织工程的发展。目前常见的骨软骨生物支架材料包括天然生物材料支架和人工合成材料支架等。天然生物支架材料主要包括胶原、透明质酸、海藻酸盐和富含血小板的纤维蛋白等[31-32]。当海藻酸盐微球和透明质酸水凝胶结合时，可作为MSCs和转化生长因子的复合载体，并保持其在支架中的生物活性，促进MSCs的软骨形成[33]。人工合成支架材料主要包括磷酸三钙、聚乳酸(polylactic acid，PLA)、聚羟基乙酸(polyglycolic acid，PGA)等[34]。Han等[35]在兔体内植入软骨源性MSCs/PLAPGA复合物支架复合材料12周后，膝关节骨软骨缺损处成功再生透明样软骨，其组织学和力学特性与正常软骨类似，组织学检查显示界面愈合良好，软骨下骨附着良好。虽然天然支架材料具有良好的生物相容性，但机械性能却较差；人工合成支架材料则存在生物相容性欠佳等问题。

金属材料是骨科最早采用的生物材料，广泛适用于关节系统的修复。金属本身并不具备一定的生物功能，但可以通过对金属表面进行化学改性或用其他生物功能材料包覆来制备基于金属的生物功能材料[36]。PT是一种难熔金属，具有很高的导热性和导电性，孔隙率为75%～85%，与人类骨松质的孔隙率一致，其保护性氧化物表面使其具有高度耐腐蚀性，并且在动物和人体中具有很高的生物相容性和生物活性，是一种理想的医用生物材料[37-38]。值得注意的是，PT的高度耐腐蚀性对置入物的寿命有重要意义，避免了在人体载荷和运动模式下，置入物与软骨接触面发生摩擦腐蚀导致的置入物松动，同时也避免了摩擦腐蚀时释放的金属离子对机体造成严重伤害。此外，PT良好的弹性模量对载荷应力均匀分布到邻近骨组织、减小应力屏蔽效应、显著减少或消除骨丢失具有重要意义[39]。正是因为这些特性，PT可广泛应用于再生医学和骨软骨组织工程。Piglionico等[40]研究结果表明PT可以促进MSCs进一步黏附、分化和扩散，证明PT的生物相容性。尉晓蔚等[41]研究发现置入胶原膜/国产PT金属双相支架16周后，几乎半个股骨头的骨软骨缺损修复成功。张辉等[42]研究表明PT复合骨形态发生蛋白7对软骨及软骨下骨缺损的修复有良好作用。Mardones等[43]研发了一种类似于骨软骨塞的兔骨膜/PT复合材料，在软骨基质中培养6周后，骨膜纤维层牢固附着在PT支架上，形成层背向钽层，并形成透明状软骨组织。Wang等[44]将骨形态发生蛋白7/PT复合材料置入兔骨软骨缺损区，发现PT与宿主骨界面上出现新的软骨和骨细胞并逐渐增多，新形成的骨小梁开始长入孔隙中，骨组织逐渐与PT结合，缺损区在16周内恢复。Kamal等[45]将以纤维蛋白为软骨细胞载体的PT支架置入小鼠背部，发现该支架可促进软骨细胞增殖和软骨组织形成，具有治疗软骨缺损的潜力。以上均提示PT可以很好地应用于骨软骨组织工程中，这种疏松多孔的结构有利于组织细胞的生长增殖，对细菌有较低的黏附力，已经应用于临床并取得良好的效果，根据患者不同的要求，其所需的物理特性往往不同，可进行适当调整[46]。

2 MSCs复合PT在软骨组织工程中的应用

多数研究者采用MSCs与PT复合培养修复软骨缺损。Blanco等[10]研究表明PT复合培养MSCs可提高细胞活力，并且保留了它们的免疫表型和分化模式，同时能够输送MSCs，而不会导致分化能力的丧失，这将支持这种组合应用于临床研究，特别是脊柱融合程序和重建技术研究。Smith等[47]研究表明一定条件下MSCs在PT中具有良好的黏附和增殖能力，在共聚焦和扫描电镜下可以看到细胞穿透深度超过5 mm，表明这种大孔三维结构适合于细胞增殖，力学测试证实，在PT中加入MSCs显著增强了其界面强度，并与培养样品中大量产生细胞外基质的情况一致。总之，PT对MSCs正常的生理功能无抑制作用，并在一定程度上促进细胞的生长、增殖和黏附，提示MSCs与PT的相互作用结果良好。此外，多数研究者发现PT复合MSCs培养对软骨缺损的修复有明显的促进作用。崔逸爽等[48]研究发现BMSCs与PT体外复合培养后可正常生长、增殖，证实PT无细胞毒性，有良好的生物相容性；与单纯软骨诱导组相比，添加PT支架的BMSCs软骨分化程度增加。Liu等[49]将PT复合Bio-Gide胶原膜与MSCs体外共培养，置入缺损区修复全层关节缺损，术后12周，缺损边缘附近的PT上可见新的软骨组织的形成，这种组织具有高质量的成分和结构，其质量与天然透明软骨相似。Wei等[50]研究证实PT可促进BMSCs的黏附和生长，并构建山羊骨软骨缺损模型，置入BMSCs负载的PT复合仿生三维胶原支架，16周后成功修复近一半股骨头的骨软骨缺损。大多数研究集中于纯钽或钽合金置入物上，这些置入物价格昂贵且来源稀少，不利于广泛应用，采取将钽涂层等离子喷涂到其他金属表面上的策略，可以提高金属置入物的生物相容性。Wang等[51]利用钽涂层多孔钛支架与兔BMSCs复合构建组织工程化人造椎体，结果表明，与单独多孔钛支架相比，在钽涂层支架表面，BMSCs伪足与支架结合更紧密，具有更好的增殖能力和成骨效果，并且更好地促进了兔腰椎缺损的修复。或许钽涂层金属材料的复合支架会为软骨组织工程提供一个新的研究思路。

3 结语

一个相对较新的领域——软骨组织工程已经取得一定的进展。目前国际多数研究结果认可MSCs为组织工程中最佳的种子细胞，但尚无统一认可的生物支架材料。PT与MSCs的复合培养通过修复软骨缺损治疗OA的方法已经展示出研究价值，但PT促进MSCs修复软骨缺损的具体机制仍未明确，多数实验仍处于动物或体外实验阶段，未来还需要进一步的实验研究。此外，由于PT较稀少且昂贵，未来的研究需要寻找便捷简易的制备方法，保证积极的生物效应，同时应用表面修饰技术对PT的性能进行优化，包括诱导细胞分化、细胞黏附、细胞增殖及组织形成能力。