骨髓间充质干细胞治疗骨关节炎的研究进展

刘昱航, 林金盈

骨关节炎(osteoarthritis,OA)是最常见的关节炎,发病率呈增长趋势,是老年人致残的主要原因之一[1-2]。OA的病理特征是累及全关节的病变,包括软骨退化、骨重塑、骨赘形成和滑膜炎症,继而导致关节的疼痛、僵硬、肿胀、关节正常功能丧失,膝关节、髋关节、脊柱关节和手关节最常受累[3]。在2019年欧洲骨质疏松和骨关节炎临床经济学会(European Society for Clinical and Economic Aspects of Osteoporosis,Osteoarthritis and Musculoskeletal Diseases,ESCEO)发布的膝骨关节炎治疗最新建议中,对于OA患者的非手术治疗的建议为理疗、非甾体抗炎药物、透明质酸、阿片类止痛药、糖皮质激素等对症治疗,而晚期OA患者只能选择关节置换术及截骨术治疗,这些治疗方案均不能阻止OA的进展[4]。间充质干细胞是从骨髓、脂肪、滑膜、脐带等组织或器官中分离提取出的一种具有高增殖活性、多向分化能力、免疫活性低等特点的多能成体干细胞[5]。骨髓间充质干细胞(bone marrow mesenchymal stem cells,BMSCs)从骨髓中提取。近年来,越来越多的研究者尝试将不同来源的间充质干细胞移植应用于OA的治疗,BMSCs在OA的发病机制及治疗中的研究也在不断深入。本文对近年来BMSCs治疗OA的研究进展作一综述。

1 BMSCs的生物学特性

BMSCs首次由Friedenstein等[6]从骨髓中分离得到。BMSCs可从自体或同种异体的盆骨、股骨及胫骨中取得,具有多向分化和自我增殖的特点,具备分化为成骨细胞、软骨细胞、神经细胞、脂肪细胞和基质细胞等多种细胞的能力[7]。BMSCs在体内外不仅能参与初次免疫应答和获得性免疫过程中与多数效应细胞相互作用并调节它们的功能[8],而且能通过内分泌、旁分泌因子调节细胞和组织的增殖、凋亡、免疫反应等,发挥诱导细胞增殖、刺激血管生成、保护细胞免于凋亡和免疫调节等作用[9]。BMSCs还能在组织损伤和炎症因子的趋化下向受损部位迁移和归巢,起到修复损伤的作用[10]。因BMSCs具有取材方便、来源充足、多向分化和自我增殖等特点,在临床治疗中得到越来越多的应用。

2 BMSCs与骨退行性变

OA的基本病理是关节软骨的损伤[11],向关节腔内或软骨下注射自体、同种异体间充质干细胞是治疗OA的研究热点。有研究发现,线粒体的稳态和功能在骨退行性变中起着至关重要的作用[12]。白细胞介素-1β(interleukin-1β,IL-1β)是OA发病机制中的关键介质。Ansari等[13]发现IL-1β能够刺激OA软骨细胞导致其活性氧(reactive oxygen species,ROS)的过度产生,线粒体跨膜电位(mitochondrial transmembrane potential,MMP)崩溃,受损的线粒体积累和由Parkin RBR E3泛素蛋白连接酶(Parkin RBR E3 ubiquitin protein ligase,PRKN)介导有丝分裂的细胞凋亡增多。在IL-1β的刺激下,软骨细胞中PRKN的耗竭影响了有丝分裂,导致线粒体功能紊乱和氧化应激的增加,而PRKN的过度表达通过清除功能紊乱的线粒体从而减少线粒体ROS的产生和软骨细胞的凋亡。间充质干细胞被认为是修复软骨和诱导其再生的一种潜在方法[14],但随着细胞的老化,间充质干细胞中的线粒体自噬被激活,严重损害了间充质干细胞向软骨分化的能力[15]。研究已证明氧化应激早期通过有丝分裂原激活的蛋白激酶8(mitogen-activated protein kinase 8,MAPK8)信号转导迅速改善线粒体,而在晚期限制有丝分裂并促进BMSCs的凋亡[16]。BMSCs的功能紊乱在OA患者关节的退行性变中起着至关重要的作用。软骨细胞在炎症损伤的影响下可激活包括核因子-κB(nuclear factor-kappa B,NF-κB)等炎症信号通路[17]。在机械应力或细胞因子(IL-1β等)的作用下,关节软骨细胞和滑膜细胞中NF-κB途径被激活,NF-κB p56和NF-κB p50蛋白被释放并从细胞质转移到细胞核[18]。Hamdalla等[19]将BMSCs注射到单碘乙酸诱导的OA模型中发现,BMSCs能够显著抑制NF-κB途径中的肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)、IL-1β、IL-6、NF-κB p56和NF-κB p50蛋白等,从而起到抗炎作用。此外,BMSCs还可提高IL-10的表达,降低免疫活性,起到保护软骨、诱导软骨细胞增殖和改善软骨退化的作用[20]。通过BMSCs的移植发挥其生物学特性及免疫调节功能从而改善关节炎症反应已被越来越多的研究所探讨。

3 BMSCs旁分泌释放外泌体在OA中的作用

外泌体是由所有细胞类型产生的细胞外囊泡的子集,在细胞间通信发挥着重要作用[21],它们是由蛋白质、脂质和核酸组成的30～300 nm的载体[22]。BMSCs可产生和释放一系列生物活性因子(如趋化因子、细胞因子、生长因子等),直接刺激靶细胞以旁分泌的方式释放功能活性介质发挥保护性和内源性再生的作用[23]。已有研究证实,BMSCs产生的外泌体能够有效促进OA大鼠模型的软骨修复、细胞外基质合成和膝关节疼痛的缓解[24]。间充质干细胞外泌体主要通过增强Ⅱ型胶原和硫酸糖胺聚糖等细胞外基质合成,促使软骨细胞中成软骨基因Ⅱ型胶原a1(Col2a1)和蛋白聚糖表达增加,促使肥大标志物基质金属蛋白酶13和转录因子Runx2的表达降低,进而减弱IL-1α诱导软骨细胞增殖和凋亡。此外,间充质干细胞外泌体还能通过激活Akt、ERK和SMAD通路,增加软骨细胞增殖并迁移至损伤部位、促进软骨基质合成,进而修复软骨损伤[25]。基质金属蛋白酶3(matrix metalloproteinase 3,MMP3)是MMP族中的一员。Tong等[26]发现其在OA滑膜细胞中高度表达,并与OA风险呈正相关。Akt是一种丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶,是PI3K/Akt信号通路的效应子[27],参与调控细胞生长、凋亡、迁移和代谢等过程。PTEN基因是PI3K/Akt信号通路的重要负调节因子,PTEN的缺失将导致PI3K/Akt信号通路的激活[28]。研究表明MicroRNA-130a能作用于PTEN/PI3K/Akt信号通路促进软骨细胞的增殖并减少其凋亡,从而缓解OA的症状[29]。Wang等[30]的研究发现LYRM4-AS1基因通过GRPR/miR-6515-5p调控IL-1β诱导软骨细胞的生长。该研究在体外成功从BMSCs中分离出外泌体,并在IL-1β诱导的OA细胞中显著提高了软骨细胞的活性,并逆转了其细胞的凋亡。研究结果表明外泌体下调了MMP3、Akt和GRFR的表达,并上调PTEN表达,从而减少IL-1β生成,对OA的软骨细胞起到诱导生成、减少凋亡的保护作用。研究比较了骨髓和脐带来源的间充质干细胞外泌体在动物体内外的疗效,结果表明在OA模型中加入外泌体后与软骨细胞基质合成相关基因的蛋白表达增加,而与基质降解、细胞凋亡相关基因的蛋白表达被抑制,在大体观察下关节软骨表面的炎症改变也明显改善[31]。但多项研究结果表明,脐带来源的间充质干细胞在OA中的疗效优于BMSCs。BMSCs旁分泌释放外泌体能通过多个通路调节软骨细胞的生物学作用,进而影响其增殖和凋亡,起到保护软骨、延缓关节炎发展的作用,这一特性有望成为改善OA的新策略。临床医师需综合考虑选择不同来源的间充质干细胞。

4 BMSCs的临床应用

4.1自体BMSCs移植 在Lamo-Espinosa等[32]的一项为期4年的Ⅰ/Ⅱ期临床试验中,向试验组OA患者关节腔内注射自体BMSCs,在4年的研究终点时,患者的视觉模拟量表(Visual Analogue Scale,VAS)评分和西安大略和麦克马斯特大学骨关节炎指数(Osteoarthritis Index at the University of Western Ontario and McMaster University,WOMAC)均得到改善,除注射后24 h内需要抗炎止痛治疗外,此后的随访过程中,患者均未发现不良反应。富血小板血浆(platelet rich plasma,PRP)可作为一种可靠的软骨诱导剂,其在OA治疗中的疗效已有循证医学证据[33]。自体PRP是PRP中的一类,因其能够促进细胞外基质的修复,越来越多地被推荐用于减轻关节炎症和缓解关节退变。研究表明,关节腔内单独注射自体PRP对OA患者的WOMAC评分有所改善,但不能改善VAS评分,而自体BMSCs联合自体PRP注射能明显改善OA患者的关节功能,减轻关节疼痛,并具有良好的安全性[34]。除关节腔内注射自体BMSCs外,软骨下注射自体BMSCs在OA中的疗效也能够对OA患者产生长期改善效果,并持续数年[35]。Hernigou等[36]的研究对皮质类固醇相关继发性骨坏死的患者一侧关节接受全膝关节置换术,对另一侧的股骨和胫骨的软骨下注射自体BMSCs。在12年的随访中,接受膝关节置换和软骨下注射自体BMSCs二者的膝关节评分改善相似,而相比于接受膝关节置换,接受自体BMSCs治疗的患者中未出现血栓性静脉炎等并发症。在另一项为期15年的研究中,对140例计划分阶段接受双膝关节置换的患者一侧关节软骨下注射BMSCs,结果表明与接受膝关节置换相比,关节软骨下注射BMSCs对关节疼痛和关节畸形的进展有明显的缓解,并且能够延缓甚至避免患者接受手术治疗[37]。目前,已有多项临床和动物试验表明自体移植BMSCs能够改善OA患者的关节疼痛及功能且能维持较长时间的疗效,在重度OA患者的治疗中不仅疗效可观,也被认为相对安全,相较于手术还具有操作简单、并发症少等优点,这项技术的成熟有望为重度OA患者的治疗带来更多的治疗选择。

4.2同种异体BMSCs移植 Vega等[38]的研究通过关节腔内注射异体BMSCs并与关节腔内注射透明质酸对照,结果发现接受异体BMSCs治疗的患者关节疼痛、功能评分明显改善。通过定量核磁共振T2标测对关节软骨质量进行评估发现,接受异体BMSCs治疗的患者质量较差的软骨区域明显减少,软骨质量得到明显改善。相比于自体BMSCs移植,同种异体移植BMSCs还具有干预简单、操作时间短等优点,但其带来的不良反应则相对较多。异体BMSCs移植治疗OA的研究及病例数较少,其疗效和安全性仍有较多不确定性,且存在宿主抗排斥反应,在临床患者中的应用不如自体BMSCs。目前也有正在进行的Ⅲ期临床试验[39],不久将可能有更多研究结果证实异体BMSCs移植治疗OA的有效性和安全性。

5 结语

OA的常规治疗仅能缓解关节的疼痛和延缓疾病的进展。越来越多的基础和临床研究已经证实BMSCs在OA中的疗效,并能够改善软骨功能和质量。目前也有多项研究应用脂肪和脐带来源的间充质干细胞治疗OA,都表现出不错的疗效[40-41]。BMSCs的优点在于软骨分化能力高,可形成比较均质、高质量的细胞外基质[42]。但由于BMSCs需要通过抽取自体或异体的骨髓来获得,取材较脂肪和脐带血困难,可能给患者带来骨损伤和感染的风险。同时,目前BMSCs应用于临床OA患者的研究较少,针对不同性别、年龄、疼痛程度等的OA患者,其适应证和安全的细胞用量仍未有统一的标准。随着BMSCs在OA治疗领域中的逐步发展,更多的临床研究和随机对照研究,更大样本量的试验数据将为BMSCs的疗效提供更多证据以及规范的治疗方法。