骨髓間充質干細胞治療股骨頭壞死的研究進展

謝志鴻 彭吾訓

1貴州醫科大學（貴陽550004）；2貴州醫科大學附屬醫院骨科（貴陽550004）

股骨頭壞死（osteonecrosis of femoral head，ONFH），又稱股骨頭缺血性壞死，是一種多因素致殘性疾病，是造成青壯年致殘的最常見疾病之一。在國內，每年新增ONFH 病例數高達約20 萬例，給社會和無數家庭造成巨大的負擔［1］。根據致病因素，ONFH 分成兩類：創傷性股骨頭壞死和非創傷性股骨頭壞死。創傷性股骨頭壞死的常見誘因為車禍傷、意外摔傷［2］；非創傷性股骨頭壞死的常見誘因為長期大量酗酒、使用過量激素，較少見的誘因還包括有鐮刀細胞性貧血、減壓病、高脂血癥、凝血功能異常等［3］。目前關于ONFH 的發病機制尚未完全清楚，主要有骨內壓增高靜脈淤滯學說、脂肪栓塞學說、微血管損傷學說、激素細胞毒性作用學說等［4］。較為公認的病理過程是上述原因都會導致股骨頭的血液供應中斷，導致骨細胞和骨髓成分壞死，繼而導致骨壞死修復能力喪失，最終造成骨結構的改變，即股骨頭的塌陷。由于ONFH的晚期難以實現保髖成功，如果能在ONFH 的早期及時進行干預，對于降低髖關節置換手術率，提高患者生活質量至關重要。當前ONFH 的診療主要根據ARCO 分期及患者自身情況決定，對于ARCO 分期為Ⅰ、Ⅱ期患者，主要采用制動與適當牽引、藥物治療、髓芯減壓術、截骨術、帶或不帶血管的自體骨移植等方法，旨在減輕疼痛，延緩壞死的發生；對于Ⅲ、Ⅳ期股骨頭塌陷明顯的患者，往往采用人工髖關節置換術來解決患者髖部疼痛癥狀和下肢跛行問題［5-6］。隨著干細胞醫學的不斷發展成熟，造血干細胞和間充質干細胞已逐步在臨床上應用。由于骨髓間充質干細胞（bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs）免疫原性低、易于培養擴增、具有多向分化潛能等優點，使用BMSCs治療ONFH 已經成為了基礎實驗及臨床試驗的研究熱點。本文對BMSCs 治療ONFH 的相關研究進行如下綜述。

1 BMSCs 概述

骨髓間充質干細胞又稱骨髓基質干細胞，是FRIEDENSTEIN 等從骨髓組織中分離出來的一種來源于中胚層的細胞亞群，形態上呈長梭形、紡錘形，它可以分化為骨骼、軟骨或肌肉等器官和組織［7］。除骨髓外，BMSCs 還可以從脂肪組織、滑膜組織和臍帶血等多種來源中分離出來［8］，目前大多數研究中BMSCs 的來源仍是骨髓組織。BMSCs 易于分離培養，在體外實驗中，研究人員常通過提取兔或者鼠的股骨及脛骨的骨髓來分離培養BMSCs［9］，在臨床上，手術醫生通過在髂骨翼抽取骨髓組織來分離BMSCs；BMSCs 可以多向分化，在條件培養基中，BMSCs 可以向成骨、成軟骨及成脂方向分化；BMSCs 還具有分泌功能，例如它可以分泌胰島素樣生長因子（insulin like growth factor-1，IGF-1）、血管內皮生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）、白介素6（interleukin- 6）、基質細胞衍生因子1 等細胞因子（stromal cell-derived factor-1α，SDF-1α）［10-13］。

2 BMSCs 治療ONFH 的方式

2.1 髓芯減壓術結合干細胞移植在ONFH 的發生發展過程中，骨髓腔壓力升高已被證實是引發骨組織成分壞死的原因之一，髓芯減壓術是在影像系統輔助定位下采用克氏針朝股骨頭壞死區鉆孔，其原理是通過在一定程度上降低壞死區的骨內高壓，同時經過髓芯減壓鉆孔后，可以清除壞死骨組織，為新生骨的形成創造有利的局部微環境。隨著研究人員對BMSCs 的研究不斷深入，以及考慮到BMSCs 在骨組織工程方面的良好生物學特性，BMSCs 移植與髓芯減壓聯合治療ONFH的方法正在不斷的衍生出來。在髓芯減壓清除骨壞死病灶后，將各種方法收集得到的干細胞植入骨壞死部位。WANG 等［14］Meta 分析表明，與單純髓芯減壓術相比，BMSCs 移植聯合髓芯減壓術對壞死區的骨修復效果明顯，并且可以降低遠期髖關節置換手術率。WU等［15］對30例ONFH患者進行臨床試驗，通過測量患者術前-術后Harris 髖關節評分（HHS）及骨壞死修復效果的差異，術后隨訪9個月，觀察到BMSCs 聯合髓芯減壓表現出了明顯的效果，發現骨壞死修復率以及成骨分化的有關指標均升高。李磊等［16］通過對48 只新西蘭白兔進行動物試驗，對比髓芯減壓術與BMSCs 聯合髓芯減壓術治療ONFH 的差別，通過測量空骨陷窩率、骨小梁面積比及成脂相關指標，結果發現BMSCs聯合髓芯減壓治療組，空骨陷窩率及骨小梁面積比均高于單純的髓芯減壓組，證實了BMSCs 聯合髓芯減壓對ONFH 的療效。劉江鋒等［17］對68 例ONFH 患者進行髓芯減壓聯合BMSCs 治療，術后進行隨訪，隨訪的結果提示若能在ONFH 早期采用該手段治療，股骨頭塌陷率和髖關節置換率明顯降低。該研究發現髓芯減壓術聯合干細胞移植術結合了減壓術及干細胞兩者的優點，與單純減壓術及其他保守治療的術式相比，它可以明顯延緩股骨頭壞死的發展，降低中遠期髖關節置換手術率。

2.2 血管介入結合干細胞治療股骨頭的局部血供中斷導致的微循環障礙是發生骨壞死的重要病理過程。通過血管介入的方式，可以適當改善微循環障礙，為骨壞死的修復以及新骨的形成提供有利的局部微環境。CAI 等［18］采用血管介入方式將BMSCs 注入旋股內側動脈，術后在不同時間點采用Harris 疼痛評分和關節功能評分評價療效，結果發現，Harris 評分較術前顯著升高，髖關節疼痛緩解明顯，步行距離明顯延長。MAO 等［19］收集62 例ONFH 患者，從患者髂嵴處抽取骨髓分離出BMSCs，然后在數字減影技術下將干細胞經旋股內側動脈注入股骨頭，術后隨訪5年，采用Harris髖關節評分評價對骨壞死的改善效果，術后髖關節功能改善明顯，能夠明顯延緩ONFH 的發展。CHEN 等［20］收集臍帶血來源的BMSCs，將干細胞注入患者的股動脈，術后進行隨訪，結果發現術后3 個月結束時HHS 評分開始增加，1年時升高最明顯，但2年時較術前下降10%，此外骨壞死體積分析顯示骨壞死體積隨著術后時間的延長不斷減少。這幾項研究都表明經動脈注入干細胞是治療ONFH 的一種有效方法，同時也表明，BMSCs 可以有效的作用于局部壞死區域。

2.3 生物支架材料結合干細胞治療股骨頭壞死區的重建一直以來是臨床上的難題，隨著骨組織工程學的快速發展，結合干細胞來源廣、易分離培養、具有強大的分化潛能及擴增能力等優點，將干細胞在體外與生物支架材料復合培養，然后將復合支架移植到骨壞死區，對壞死區進行重建的方法已逐步應用于臨床。BMSCs 聯合支架材料治療ONFH 的原理是利用它可以向成骨方向分化促進骨壞死的修復重建。支架材料的應用需要具備良好的生物相容性、適當的可降解性、一定的孔隙結構、適當的強度，甚至還應有良好的骨傳導骨誘導功能。目前常見的支架材料有多孔鉭棒、磷酸鈣陶瓷、羥基磷灰石等。WANG 等［21］在實驗中將磷酸鈣陶瓷支架和BMSCs 復合培養，觀察到成骨相關基因表達上調，堿性磷酸酶活性增加，骨鈣素水平升高，將該支架與干細胞復合培養后植入體內出現了新骨形成。LI 等［22］制備了一種多孔明膠/納米羥基磷灰石/明膠微球復合支架，與BMSCs 復合培養后，移植入股骨頭中，結果表明，在體外實驗中，該支架提高了干細胞的活力，上調了成骨有關基因的表達，在體內實驗中，復合支架促進了激素性股骨頭壞死模型中骨缺損區的骨形成，表明對股骨頭壞死的修復起到了一定作用。ZHANG等［23］制備了一種含聚乳酸-羥基乙酸微球的新型磷酸鈣支架，將BMSCs 與該支架復合培養后植入股骨頭壞死區，術后進行X 線分析及組織學檢查，觀察到壞死區骨小梁數目明顯增加，壞死區周圍新生血管密度也顯著增加，提示該復合支架在體內具有良好的生物相容性，并且可以促進體內成骨。

2.4 基因轉染干細胞治療研究表明股骨頭壞死區成骨細胞數量減少、活性下降，以及血管內皮細胞功能障礙［24-26］。若能改善成骨及成血管功能，對于股骨頭壞死區的損傷修復可以起到很大的幫助，而基因轉染BMSCs 正是利用了這個原理。目前已發現許多與成骨或成血管有關的細胞因子，如VEGF、SDF-1α、骨形態發生蛋白（bone morphogenetic protein，BMP）、堿性成纖維細胞生長因子（fibroblast growth factor-2，FGF-2）等。YANG 等［27］將表達SDF-1α的慢病毒載體導入BMSCs 治療激素性股骨頭壞死模型時發現，SDF-1α過表達促進了BMSCs 的成骨分化，使成骨相關蛋白顯著上調，經Micro-CT 檢查觀察到股骨頭壞死區的骨密度值明顯升高，血管造影技術觀察到血管生成指標CD31 顯著升高。LIAO 等［28］使用BMP2 和VEGF 共轉染BMSCs 搭載在仿生支架上植入小鼠體內，術后4 周進行組織學及免疫組化分析評估療效，觀察到種植體上出現新生毛細血管及新生骨的形成。ZHANG 等［29］將FGF-2 轉染BMSCs 后治療大鼠激素性股骨頭壞死模型，觀察到成骨相關指標、血管密度、新生骨形成明顯較對照組明顯升高。這些研究表明基因轉染BMSCs 治療股骨頭壞死是一項很有前景的治療方法，但目前這類研究集中于動物實驗中，能否應用ONFH 患者仍需要進一步的研究。

3 總結與展望

盡管ONFH 的發病機理尚未闡明，但有研究提示ONFH 的發生發展和BMSCs 的活性被破壞及數量減少有密切關系［30］。目前大多數保髖治療措施主要集中在ARCO 分期的Ⅰ、Ⅱ期，而當ONFH患者的股骨頭形態出現塌陷后，無法再采取保髖治療措施，只能選擇髖關節置換術治療。

近些年以來，干細胞醫學、骨組織工程學、基因治療技術迅速發展，BMSCs 治療ONFH 的研究在動物實驗及臨床中已經在廣泛開展。將BMSCs應用于股骨頭壞死的各類治療方法都觀察到了一定的效果，例如促進BMSCs 的成骨分化、抑制BMSCs 的成脂分化、促進骨壞死區的血管形成、新骨形成。但是在BMSCs 治療ONFH 目前仍存在較多難題：（1）干細胞的來源和數量問題，髓芯減壓術結合BMSCs 治療ONFH 中的干細胞是從髂骨翼提取分離的，髂骨翼上能夠提供的干細胞數目，以及股骨頭壞死部位需要多少數量的干細胞才能達到修復的效果尚未明確；（2）干細胞的質量問題，由于股骨頭壞死發生發展過程中，損傷因素長期存在，那么ONFH 患者自身來源的BMSCs 活性容易受損；（3）在血管介入灌注BMSCs 的治療過程中存在干細胞丟失的問題，在股動脈或者旋股內側動脈進行灌注時，能到達壞死區的干細胞的效率；（4）干細胞的存活率問題，體外實驗中干細胞的生長環境不同于骨壞死區，干細胞移植到壞死區后由于局部微環境的不同，是否仍能大量存活；（5）安全性問題，干細胞植入人體后，持續增殖，是否產生致癌作用。若將基因轉染后的干細胞植入人體，該基因是否會影響人體其他損傷修復的分子信號通路，從而影響人體安全，增加其他疾病發生的風險，甚至出現遺傳改變。

盡管當前在干細胞治療股骨頭壞死的領域中出現了一些問題，但仍應肯定近年來，干細胞治療股骨壞死的相關研究已經取得了巨大的進步。在未來，需要更多的基礎研究和臨床試驗去探尋BMSCs 在治療股骨頭壞死中發生作用的分子機制，尋找干細胞的理想來源以及解決其安全性問題。相信隨著細胞生物學、分子生物學以及組織工程技術的深入發展，BMSCs 有望為ONFH 的治療提供新的見解和思路。