骨髓間充質干細胞治療椎間盤退行性病變的研究進展

袁超群 綜述 張海龍 審校

椎間盤退行性病變具有高發病率和高致殘率[1]，由于髓核組織損壞、變性具有不可逆性，脊柱融合手術為治療的“金標準”，但手術難以恢復椎間盤的結構與功能。組織工程是永久性修復椎間盤的新策略。BMSCs是當前研究的焦點。本文就BMSCs治療椎間盤退行性病變的研究進展進行綜述。

1 椎間盤的病理生理學

椎間盤位于相鄰椎體之間，由髓核、纖維環和軟骨終板三部分構成。髓核細胞為類軟骨樣細胞，纖維環細胞形態細長，似成纖維細胞[2]。髓核細胞基質富含蛋白聚糖、Ⅱ型膠原，而纖維環細胞基質含豐富的Ⅰ型膠原、少量的蛋白聚糖和Ⅱ型膠原。從髓核中央向外，Ⅱ型膠原逐漸減少，而Ⅰ型膠原逐漸增多。

椎間盤退行性病變的病因尚不明確，可能跟負載過大、生物力學改變、基因、營養障礙、細胞變異等有關。椎間盤退行性病變最初發生于細胞水平，這為細胞治療及椎間盤再生提供了一定的證據。實驗證明，細胞凋亡[3]和細胞衰老[4]是導致椎間盤功能細胞數量減少，以及力學結構發生改變的主要原因。體外研究證明，退變的椎間盤中，白介素-1（IL-1）含量顯著增高，而白介素-1拮抗劑（IL-1Ra）含量并無改變，IL-1可以產生大量的蛋白水解酶，包括：基質金屬蛋白酶（MMPs）和ADAMTS（由解聚素、基質金屬蛋白酶和血栓粘合素組成），可以進一步破壞椎間盤組織[5]。Blumenthal等[6]發現，在椎間盤中過度表達IL-1Ra可抑制蛋白水解酶活性，減緩椎間盤退行性病變，證實了IL-1Ra治療椎間盤退行性病變的可能。

2 傳統治療椎間盤退變的策略

大多數患者可通過休息或保守治療緩解癥狀[7]。常見的保守治療包括：藥物治療、物理治療、運動治療、針灸、按摩等。另外，可選擇局部注射皮質醇封閉治療，但無確切療效[8]。

保守治療失敗后，手術是唯一的選擇。脊柱融合術是目前應用最廣泛的，但療效存在爭議。瑞典一項為期2年的隨訪研究表明，行脊柱融合術后的生活質量優于保守治療[9]；但英國的一項最新研究證明兩者無明顯差異[10]。脊柱融合術存在多種并發癥，甚至可能導致臨近節段椎間盤加速退行性改變[11]。近年來，人工椎間盤置換術應用于臨床，術后短期隨訪，患者疼痛緩解顯著[12-13]，但術后人工椎間盤移位等并發癥發生率較高[14]。

以上治療方式均無法修復椎間盤組織。組織工程技術為修復椎間盤、治療椎間盤退行性改變提供了可能。

3 骨髓間充質干細胞治療

3.1 BMSCs的細胞生物學研究及治療椎間盤退變的可能

目前，干細胞移植治療椎間盤退行性病變中，研究最多的是BMSCs和ADSCs。BMSCs是骨髓內造血干細胞以外的非造血干細胞，具有多向分化能力，可分化為成骨細胞、軟骨細胞、脂肪細胞、成纖維細胞、血管內皮細胞、神經細胞等[15]。BMSCs具有免疫原性低、自我復制能力強、取材方便及分離培養較為簡單等優點，是較為理想的種子細胞。此外，BMSCs可穩定表達 CD44、CD71、CD105、CD120A、CD124 和 CD166等表面抗原，分泌白細胞介素、白血病抑制因子和粒細胞巨噬細胞集落刺激因子等細胞因子。

Sobajima等[16]將異體BMSCs植入兔退變的腰椎間盤內，24周后椎間盤組織切片證實，植入的BMSCs存活并轉移至纖維環內，認為BMSCs可以用于椎間盤退行性疾病的治療。Richardson等[17]將BMSCs和溫敏型殼聚糖-甘油磷酸酯凝膠體外復合培養，4周后將BMSCs的標記基因與髓核細胞和關節軟骨細胞的標記基因對比發現，BMSCs的表型與對照組的表型很相似，且BMSCs分泌的蛋白多糖和膠原的量更接近于髓核細胞。Orozco等[18]將BMSCs植入10位下腰痛患者髓核內，隨訪1年，患者腰痛明顯改善，但椎間盤高度無明顯恢復。因此，BMSCs治療椎間盤退行性疾病具有可行性。

3.2 支架材料的選擇

支架材料是治療椎間盤退行性病變的重要組成部分。支架作為載體，用以模擬細胞外基質環境，提供適當的生物力學環境和生物化學信號，促進種子細胞分化并維持表型，有助于移植細胞的黏附、增生、基因表達，并能輔助合成新的、有功能的組織。

支架分為天然生物材料支架和人工合成材料支架，常用的包括：凝膠、殼聚糖、藻酸鹽、膠原、透明質酸、磷酸鈣、脫鈣骨基質等。凝膠具有溫度敏感性，常溫下呈液體狀，體內時（37℃）自行凝結成膠狀，利于細胞在支架內分布，也便于注射移植。另外，凝膠可以模擬髓核組織的膠狀環境，代替細胞外基質的功能，為BMSCs的分化起到支持和保護的作用。體外研究證明，在海藻酸鹽支架上BMSCs可以向髓核樣細胞分化[19]，但是海藻酸鹽支架缺乏機械穩定性，不能應用于體內移植。Richardson等[21]發現，BMSCs與殼聚糖-甘油磷酸水凝膠體外復合培養，不需要添加額外誘導物質，RT-PCR檢測發現Sox-9和聚集蛋白聚糖基因表達水平與髓核細胞相似，ALP檢測證實骨髓間充質干細胞不向骨細胞方面分化，且這類支架降解緩慢，具有很好的機械穩定性[20]。Sakai等[21]將BMSCs與熱敏水凝膠注射入家兔體內，觀察24周發現，實驗組椎體高度增高91%。Bertolo等[22]將BMSCs分別植入膠原（牛、豬）、凝膠和殼聚糖等三種基質中，5周后發現，膠原組BMSCs相對表達更多的Mrna、膠原-Ⅰ、膠原-Ⅱ以及蛋白聚糖，膠原組和凝膠組細胞成活率較高，膠原組（豬）BMSCs分泌的Ⅱ型膠原與蛋白聚糖的比率更類似于髓核樣細胞，但髓核細胞相關基因（角蛋白19、PAX1和FOXF1）表達較低。脊索細胞可分泌大量粘多糖、SOX-9、膠原-Ⅱ，Purmessur等[23]將BMSCs在富含脊索細胞的原生組織中培養21 d，發現BMSCs能很好地向髓核樣細胞分化。See等[24]的研究證明，BMSCs在絲類支架上培養4周后，可以很好地黏附于支架上，細胞數量無明顯減少，且細胞外基質中膠原-Ⅰ顯著減少，膠原-Ⅱ顯著增多，為椎間盤纖維環修復提供了可能。

椎間盤處于低氧、高乳酸、分解代謝旺盛的特殊內環境中[25]，理想的支架應能夠提供分子信號，誘導BMSCs表型的表達及向髓核樣細胞轉化，并兼顧機械負荷因素。

3.3 細胞因子的作用

細胞因子通過內分泌、旁分泌、自分泌系統發揮功能，調節椎間盤細胞的代謝活動。BMSCs向髓核樣細胞分化過程中需要TGF-β、IGF-1和BMP等的參與。

Thompson等[26]首次報道，在體外培養的髓核細胞內添加TGF-β，可促進椎間盤細胞分泌蛋白多糖。Gruber等[27]在體外培養的椎間盤髓核細胞內添加IGF-1和血小板源性生長因子后可阻止細胞凋亡。WaSh等[28]通過實驗動物大鼠尾椎退變間盤模型發現，MMPs主要作用于內層纖維環細胞，并可使其向髓核細胞方向分化。研究證明，SOX-9超表達時可促進BMSCs在PLLA支架上的分化、增殖[25]。Robert等[29]對46例腰椎疾病患者分別按退變性椎間盤疾病、椎間盤纖維環破損、脊椎滑脫和腰椎間盤突出進行分類后取材，應用免疫組化方法檢測基質金屬蛋白的含量，發現在椎間盤突出病例中基質金屬蛋白酶含量最高，提示MMPs可能是椎間盤退變進程的生物調節因子，參與了髓核細胞外基質的降解。Illien-Jünger等[30]的研究表明，椎間盤的退變環境也可以誘導細胞因子釋放，促進BMSCs增生以及蛋白聚糖的分泌。

4 問題與展望

應用組織工程方法治療椎間盤退行性病變，尚屬早起研究，還存在很多問題。椎間盤是人體最大的無血管器官，局部營養供應受限，組織含氧量低，局部機械壓力大，移植細胞的存活問題較為突出[31]。研究證明，BMSCs可誘導分化為髓核樣細胞，但髓核細胞與關節軟骨細胞存在相同的特異基因，如：MMP-2、葡萄糖轉運因子-1和低氧誘導因子[32]，導致鑒別困難。Hee等[33]的實驗證明，在家兔模型中植入BMSCs可以刺激椎間盤組織再生，但不能恢復穩定的椎間盤微環境，難以達到預期效果。Vadala等[34]將BMSCs注入家兔椎間盤退變模型中，9周后行影像學檢查，發現椎間盤無明顯再生，而椎體前外側緣出現明顯骨質增生；組織學研究顯示，骨贅表面富含軟骨細胞，來源于注射滲漏的BMSCs。另外，BMSCs的提取、細胞移植方法、移植細胞數量及適應證等，都是需要積極探索的。

通過組織工程技術，結合干細胞、細胞因子及復合支架植入病變椎間盤，修復病變椎間盤，恢復腰椎間隙是研究的目的。隨著對椎間盤的退變機制及干細胞生物學認識的不斷深入，以及新型支架材料、培養條件、細胞移植技術的研發，BMSCs從生理功能上修復退變椎間盤、治療退變性椎間盤疾病將具有廣闊的應用前景。

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