干細胞促進肌腱損傷修復研究進展

楊志金，唐康來

(1.中國人民解放軍聯勤保障部隊第九二〇醫院康復醫學科,昆明 650032； 2.陸軍軍醫大學第一附屬醫院骨科運動醫學中心,重慶 400038)

肌腱是人體運動系統的重要組成部分，為致密的纖維結締組織，其將骨骼與肌肉連接起來，輔助肌肉運動并維持骨骼的穩定性，是傳遞力量以實現運動所不可或缺的結構[1- 2]。肌腱損傷在體育運動及日常生活中均十分常見，全球每年大約有超過3 000萬例的肌腱損傷患者，并導致超過1 560億美元的醫療支出[3-4]。

肌腱的血液供應較差，導致其再生修復能力差，損傷后不僅其結構的完整性很難恢復，其生物力學強度也明顯降低[5-6]。肌腱損傷部位經常會形成瘢痕，其會損害組織的生物力學性能和整體活動能力[7]。肌腱損傷后明顯影響患者的運動功能，且肌腱損傷往往愈合不理想，影響患者的生活質量[8]。肌腱損傷后無論是非手術治療或手術治療均不能完全恢復肌腱的天然成分、組織結構及機械性能。目前尚無理想的治療方法，臨床迫切需要確實可行的治療方案[9-10]。

1 肌腱的結構及功能

肌腱含有豐富的膠原纖維，是有一定彈性的致密結締組織。膠原纖維沿著肌腱長軸平行排列，呈輕微波浪狀，粗細基本一致。肌腱的組成及結構使其更適于擔任連接肌肉和骨骼的角色。肌腱的主要成分是水，占肌腱重量的55%～70%。膠原是其主要的固體成分，占肌腱組織干重的65%～80%。膠原蛋白是一種剛性結構蛋白，為組織提供抗張強度，其中以Ⅰ型膠原為主，約占凈重的90%，Ⅲ型膠原含量較少[11-13]。細胞外基質(extracellular matrix,ECM)及其組成成分對肌腱的發育和健康維持至關重要，肌腱ECM的主要成分是Ⅰ型膠原。

肌腱細胞和肌腱干細胞是肌腱組織內的主要細胞類型，占肌腱細胞總數的90%～95%。肌腱細胞是終末分化細胞，呈紡錘形，細胞核細長，細胞質薄。肌腱干細胞位于細胞外基質包繞的平行排列膠原纖維之間，可向肌腱細胞分化。

2 肌腱損傷的愈合過程

肌腱損傷愈合包括內源性因素及外源性因素，其確切機制目前尚不完全清楚[14]。現有研究認為損傷肌腱的修復可以分為3個階段，這些階段可以互相重疊，其持續時間取決于肌腱損傷的位置和嚴重程度[15-16]。

2.1炎癥反應期 受損部位首先會出現血腫，中性粒細胞、單核細胞和巨噬細胞等遷移至損傷部位，并釋放炎性因子，血管生成因子啟動血管生成，同時成纖維細胞開始合成Ⅲ型膠原。

2.2細胞增殖期 損傷幾天后，在細胞增殖期開始合成大量的ECM成分，包括無序排列的蛋白聚糖和膠原蛋白(大部分是Ⅲ型膠原)。此階段的另一個特征是：細胞大量增加并吸收大量水分。

2.3重塑與成熟期 Ⅲ型膠原纖維逐漸被Ⅰ型膠原纖維替代，合成的膠原纖維開始沿著肌腱長軸方向進行排列，從而恢復肌腱的剛度及抗拉強度。大約10周后，成熟階段開始，其特征是膠原纖維交聯的增加及更成熟的肌腱組織形成。

3 干細胞促進肌腱損傷修復研究現狀

干細胞可以促進損傷組織修復，在合適的條件下具有多向分化潛能。干細胞不僅在個體正常發育過程中具有重要的作用，在組織損傷的病理條件下也具有重要作用。干細胞無論是在肌腱急性損傷或慢性損傷的治療上，均具有巨大的潛能和應用前景[10]。肌腱組織工程的常用種子細胞主要有間充質干細胞、脂肪干細胞、肌腱干細胞及成纖維細胞等[17]。

3.1肌腱干細胞(tendon stem cells，TSCs) 在很長一段時間，肌腱細胞被認為是肌腱中唯一的細胞類型。直至2007年，有學者首次從人及小鼠的肌腱中分離獲得TSCs[18]，并相繼在多種動物的肌腱及韌帶中分離獲得TSCs[19-21]。TSCs表現出成人間充質干細胞相同的典型特征，如典型的表面抗原、自我更新、克隆形成和三系分化能力(成脂肪、成骨和成軟骨)。Zhang和Wang[22]研究發現TSCs能夠在體外分化成脂肪細胞、軟骨細胞和骨細胞，在裸鼠皮下移植后也能形成肌腱樣、軟骨樣和骨樣組織。與其他的MSCs相比，TSCs表達肌腱相關基因如scleraxis(Scx)、tenomodulin(Tnmd)等[15]。由于這些獨特的性質，TSCs在肌腱損傷修復、再生過程中起關鍵作用[10,23]。

TSCs來源于肌腱，是治療肌腱損傷最適宜的種子細胞。Zhang等[24]研究證實，在體外實驗中，脫細胞肌腱組織支架能促進TSCs增殖，并有利于其保持干細胞的干性。在體內實驗中，脫細胞肌腱組織支架聯合TSCs能在裸鼠體內形成肌腱樣組織。Shen等[25]將兔來源TSCs在蠶絲膠原海綿支架上培養后，移植至兔肩袖損傷模型，12周后同種異體TSCs治療組與對照組相比具有更好的組織結構和生物力學性能。Chen等[26]使用TSCs聯合富血小板血漿(platelet-rich plasma，PRP)治療大鼠跟腱損傷，研究結果證實：TSCs和PRP對肌腱損傷有協同治療作用，可顯著促進肌腱損傷愈合。Ni等[27]用TSCs治療大鼠髕腱缺損動物模型，結果證實治療4周時TSCs治療組生物力學性能明顯優于對照組，TSCs能促進損傷肌腱的早期愈合。

3.2間充質干細胞(mesenchymal stem cells，MSCs) MSCs

是具有自我更新能力及多向分化潛能的多能干細胞，現已從包括骨髓、滑膜、肝臟、肌肉、腦、脂肪、胎盤和臍帶等多種組織中分離得到MSCs[28]。MSCs最早于成年骨髓中發現，稱之為骨髓間充質干細胞(BMSCs)[29]。BMSCs很容易分離，且自我更新和多向分化能力強，也是肌腱損傷再生領域的理想細胞來源。在治療運動系統損傷疾病時，BMSCs由于良好的生物學特征，是使用最廣泛的干細胞類型。

Kim等[30]在肩袖損傷患者修復期注射以纖維蛋白膠為載體包裹的脂肪源性MSCs，用臨床及影像檢查指標評價治療效果，結果顯示脂肪源性MSCs局部注射可顯著降低肩袖損傷再次發生率。Chong等[31]采用兔跟腱中部完全橫斷損傷動物模型，研究外源性BMSCs治療對肌腱早期愈合過程中組織結構和機械性能的影響。治療組在纖維蛋白支架中加入BMSCs，而對照組僅使用纖維蛋白支架，在損傷后3周，治療組細胞排列及機械性能方面均優于對照組，骨髓MSCs在肌腱早期愈合中表現出積極的作用。然而，這項研究主要局限是實驗組和對照組長期效應上無顯著差異。

現有研究表明MSCs在促進肌腱損傷修復方面有積極作用，其可能的作用機制包括：首先，MSCs可以調節免疫應答，并通過細胞-細胞間的直接接觸，釋放可溶性免疫抑制劑而發揮其免疫調節功能； 其次，MSCs可以分泌促進相鄰細胞增殖的生長因子、趨化因子及預防細胞凋亡； 最后，MSCs具有多向分能力，包括：骨、軟骨、肌腱、脂肪及肌肉等[32-34]。

3.3脂肪干細胞(adipose-derived stem cells,ADSCs) ADSCs具有易于獲取、來源廣泛、體外擴增容易、免疫原性低、不存在倫理問題等許多優點。目前，ADSCs已在人、雞等多種物種中成功分離[35-36]。

Uysal等[14]利用ADSCs治療兔的跟腱損傷，組織學及免疫組化染色結果證實ADSCs可促進肌腱損傷愈合。Lee等[33]將人來源ADSCs移植至大鼠跟腱損傷動物模型，分別在損傷后2周及4周進行免疫組化、生物力學測試等檢測，結果顯示人來源ADSCs能促進大鼠肌腱損傷愈合，并顯著提高其生物力學性能。Oh等[37]將ADSCs注射至兔的慢性肩袖撕裂部位，進行生物力學及組織學分析，結果顯示ADSCs局部注射可促進肩袖損傷的愈合，并改善了肩袖組織的脂肪浸潤情況。Lee等[38]用異體ADSCs治療人的慢性肌腱病，隨訪52周，結果證實無明顯不良反應，可顯著減輕關節疼痛、改善關節活動范圍及損傷肌腱的組織結構。ADSCs是一種治療肌腱病的安全、有效的方法，是一種治療肌腱損傷極具潛力的細胞類型，其促進肌腱損傷愈合的機制，包括刺激肌腱自身細胞增殖、合成ECM，募集肌腱自身細胞至損傷部位，從而促進肌腱損傷愈合。

3.4皮膚來源干細胞(skin-derived stem cells,SDSCs) 皮膚是一種獨特的器官，是哺乳動物中能持續自我更新的少數器官之一，甚至到成年時期。皮膚含有多種干細胞用于維持皮膚的自我平衡及在皮膚損傷或疾病時促進損傷皮膚的修復。皮膚成纖維細胞在形態、功能上與肌腱細胞十分相似，且來源廣泛、相對容易獲取。皮膚成纖維細胞和干細胞表達相同的細胞免疫表型，并且也具有分化為脂肪細胞、骨細胞和軟骨細胞的多向分化能力[39]。

Liu等[40]通過動物實驗證實：皮膚成纖維細胞可作為肌腱組織工程的種子細胞，以促進肌腱損傷的愈合。Obaid等[41]在一項隨機雙盲臨床對照試驗中，使用皮膚成纖維細胞治療慢性跟腱損傷，研究結果證實皮膚成纖維細胞治療慢性跟腱損傷安全、有效，隨訪6個月時疼痛評分明顯優于對照組。Clarke等[42]在一項臨床試驗中，使用超聲引導下注射自體皮膚來源的皮膚成纖維細胞治療髕腱損傷，治療后6周及3、6個月的隨訪結果證實：皮膚成纖維細胞短期治療髕腱損傷安全、有效，和對照組相比疼痛及功能改善均十分顯著。

4 小結

由于肌腱通常受到機械損傷或退行性損傷的影響，肌腱損傷后肌腱細胞的更新和功能、結構完整性的重建極其重要。干細胞治療肌腱損傷是一項極有前景的治療方法，能有效促進損傷肌腱修復或再生，關鍵在于選擇合適的細胞類型。

目前尚無治療肌腱損傷的理想干細胞，不同的干細胞有其各自的優缺點，但不使用老年或病變組織來源干細胞是明確的。

在肌腱損傷愈合的不同階段，生長因子對干細胞的分化均具有重要調控作用。在肌腱損傷愈合過程中，轉化生長因子-β(TGF-β)、成纖維細胞生長因子(bFGF)、結締組織生長因子(CTGF)、肝細胞生長因子(HGF)等細胞因子均具有調控其分化方向的作用。同時支架材料的研究和利用也是肌腱組織工程的關鍵環節，其可為干細胞生長提供穩定的外部環境。理想的肌腱組織工程支架應具有良好的生物活性、生物相容性及安全性、適宜的機械性能及力學強度、易加工及處理、合適的孔隙率及三維立體結構等。干細胞促進肌腱損傷修復過程中，使用生物支架作為載體，使用生長因子來誘導干細胞成肌腱分化，及干細胞個性化植入后增強等綜合治療方案，或許能為肌腱損傷的治療提供完美解決方案。

在過去20年中，有關于肌腱損傷的干細胞及組織工程研究取得了許多令人鼓舞的結果。干細胞促進肌腱損傷修復在大量的動物研究中，取得了很好的治療效果。近年來，研究人員更加關注干細胞治療在人體肌腱損傷中的應用。在此期間也開展了許多臨床前研究，但目前的研究成果仍不夠完善，仍需進一步的臨床研究來證實干細胞治療的安全性及有效性。目前，只有MSCs治療跟腱炎等少數臨床試驗在進行中，將來在肌腱再生醫學和組織工程領域，仍需更多臨床實驗來驗證干細胞促進肌腱損傷修復的臨床療效。干細胞促進肌腱損傷修復的機制目前尚不完全清楚，還必須進一步深入研究，使干細胞治療肌腱損傷成為切實可行的治療方法。干細胞無論是治療肌腱急性損傷，還是緩解退行性肌腱病的癥狀，均是希望與挑戰并存。