脂肪間充質干細胞治療骨關節炎研究進展*

費楊厚雪 ，張 鴿 ，張 云 ，黃 煒△

（1. 華北理工大學研究生院，河北 唐山 063210； 2. 河北省唐山市工人醫院，河北 唐山 063003）

骨關節炎是一種非炎性關節病［1］，主要特征為關節軟骨破壞及骨贅形成［2］，具體表現為關節疼痛、僵硬，日常活動受限，致殘率高達53%［3］。且骨關節炎所致活動功能障礙，會增加心血管事件的發生率及全因病死率［4］。傳統治療方法僅能控制疼痛和恢復骨關節功能，但不能阻止疾病的發展。采用計算機檢索PubMed、中國知網、萬方、維普等數據庫中治療骨關節炎的相關文獻，檢索時限為1988 年1 月至2021 年8 月，發現隨著組織工程的發展，間充質干細胞（MSC）對修復軟骨有良好的長期效果，其中脂肪間充質干細胞（ADSCs）易于獲取，為骨關節炎的治療提供了新選擇。現將ADSCs 治療骨關節炎的研究進展綜述如下。

1 來源及特點

1.1 分離培養

脂肪組織一直被認為是一種惰性組織。通常在吸脂術后作為手術廢物丟棄，但它和骨髓一樣源于中胚層，具有多能性，可分化為多種細胞譜系［5］。經典提取方式為酶解法，用膠原酶消化人體成熟脂肪組織，再離心、過濾，清洗后得到血管基質組分（SVF）［6］。2001 年，ZUK 等［7］首次鑒定了SVF，發現其中包含ADSCs、內皮細胞、紅細胞、成纖維細胞、淋巴細胞、單核－巨噬細胞、周細胞等成分，通過體外培養后可從中分離出ADSCs。盡管提取方法多樣，但操作流程大致相同，差異主要在于洗滌次數、酶濃度、離心參數、紅細胞溶解方法、過濾和最終培養條件［8］。近年來，許多企業開始研發非酶法細胞分離系統，通過超聲和機械力對脂肪進行微碎，在不使用酶的情況下，既能沖洗掉雜質，又能完整保留SVF［9］。

1.2 特點

ADSCs 源于脂肪組織，呈紡錘體形態，表現為成纖維細胞樣生長，體外培養可穩定增殖。主要表達（超過80% ）CD13，CD29，CD44，CD73，CD90，CD105，極少表達（低于2% ）CD31，CD45，CD235a［10］。全能或多能干細胞表達的CD177也可見于ADSCs，表明ADSCs 具有分化為成骨、成軟骨和成脂肪細胞的能力。利用組織學染色和特異性生物標志物可鑒別ADSCs 的分化方向（見表1）。ADSCs的多方向分化潛能使其在心血管疾病、糖尿病、炎性腸病、整形美容醫學等多領域受到廣泛關注。作為組織工程的熱門種子細胞，ADSCs 治療骨關節炎在近年一直是各方關注的焦點。截至 2021 年 8 月，在 Clinicaltrials.gov 上登記的“脂肪來源干細胞”相關臨床試驗共有291 條，關于肌肉骨骼疾病的研究占第1 位，其中絕大部分與骨關節炎相關。針對骨關節炎發病機制的研究主要集中于軟骨損傷、關節力學、細胞因子等方面。目前的研究認為，ADSCs 主要通過修復軟骨損傷、免疫調節和旁分泌途徑改善關節腔內微環境來治療骨關節炎。

表1 ADSCs 分化方向的鑒定方法Tab.1 The way to identify the differentiation potential of ADSCs

2 骨關節炎治療作用機制

2.1 修復軟骨損傷

軟骨細胞是關節軟骨中唯一的細胞形式，散在分布于主要由Ⅱ型膠原搭建而成的網狀結構中，與細胞外基質共同構成關節軟骨［16］。由于關節軟骨中細胞外基質占比高，且缺乏血液供應，自我修復能力很差。當解剖學異常、年齡［17］、運動負荷、創傷等因素導致關節軟骨損傷時，藥物很難通過血液循環進入。1994 年，BRITTBERG 等［18］對23 例可能進展為骨關節炎的膝關節深部軟骨缺損患者行自體軟骨細胞移植治療，證實培養自體細胞生成的透明軟骨組織可用于修復膝關節深層軟骨缺損，改善臨床癥狀，為利用自體細胞形成軟骨特性修復關節軟骨提供了思路。

大量體外試驗證實，ADSCs 在軟骨誘導液的誘導下可分化為軟骨細胞，并穩定增殖，直接向關節腔內注射ADSCs、體外預處理或聯用支架／媒介混懸液均可促使ADSCs 向軟骨分化，減輕骨關節炎癥狀。相比于誘導液培養法，軟骨細胞共培養法、外源性生長因子誘導液培養法、基因修飾等方法誘導效果更佳。周君等［19］通過膝關節前交叉韌帶離斷法建立了大鼠骨關節炎模型，從同種異體雄性SD 大鼠腹膜脂肪組織中分離出ADSCs 后直接注射入膝關節，結果治療組Ⅱ型膠原蛋白的表達水平明顯上調，滑膜增生減輕，骨贅形成和軟骨破壞均減少，證明可通過關節腔內注射ADSCs，抑制軟骨損傷來延緩骨關節炎進程。VAN PHAM 等［20］在移植 ADSCs 的小鼠模型中觀察到新軟骨的形成；但LI 等［21］僅觀察到ADSCs 組較對照組骨關節炎軟骨退變明顯減輕，兩組均未發現新軟骨形成，考慮與骨關節炎模型和治療時間差異相關。

2.2 免疫調節與抗炎作用

絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）、核因子－κB（NF － κB）、Wnt／β －catenin 信號通路是骨關節炎發病中的主要信號通路，白細胞介素（IL）－1β 是關鍵細胞因子。年齡、機械制動、運動磨損、體質量、外傷等多因素使 IL －1β 上調，腫瘤壞死因子（TNF）－α 和 IL －1 等炎性遞質產生［16］，促進基質金屬蛋白酶（MMP）家族表達，形成關節軟骨炎癥，使軟骨降解酶表達活躍，軟骨細胞分解增加，細胞外基質生成減少［22］。同時，由于軟骨細胞自我修復能力差，導致軟骨受損鈣化，軟骨下骨形成，出現骨關節炎［23］。IL － 1β 還可促使前列腺素 E2和一氧化氮過表達而加重骨關節炎［22］。細胞因子促進蛋白酶和血漿酶原激活因子產生，加速軟骨機制破壞［24］和微晶體形成，使軟骨基質分解、代謝，導致關節滑膜炎性反應，進而發生骨關節炎［25］。

ADSCs 體外培養液可通過NF－κB 信號通路抑制IL－1β 生成，將淫羊藿苷干預的ADSCs 注入膝關節腔，同樣發現TNF－α、IL－1、一氧化氮等炎性因子水平降低，關節軟骨細胞凋亡被抑制［26］。將ADSCs 和骨關節炎的軟骨細胞、滑膜細胞共同培養，可抑制IL－1，IL－6，TNF － α 等炎性因子產生［27］。ADSCs 還可通過直接分泌抗炎因子IL－10，IL－1 受體拮抗劑等抑制炎癥發生，或促進有免疫抑制作用的CD4＋FOXP3＋T help 細胞生長，間接使IL－10 分泌增加［28］。滑膜巨噬細胞與骨關節炎發展較密切，ADSCs 作用于滑膜巨噬細胞使其活化被抑制，炎性因子分泌減少，起到調節免疫功能的作用［29］。

2.3 旁分泌作用

LEE 等［30］發現，ADSCs 會向病變或缺血位置遷移，這種現象稱為“歸巢”。KATSHA 等［31］認為，ADSCs 注入體內后，導致歸巢現象的原因不明，在受損組織中分化的效率很低，甚至并不直接作用受損處。LI 等［21］認為，ADSCs 通過旁分泌途徑影響關節腔內的微環境，分泌各種可溶性和不可溶性細胞因子、趨化因子和生長因子，介導軟骨細胞的抗炎、抗纖維化、抗凋亡和營養效應。

外泌體是一種細胞外囊泡，攜帶大量活性物質，通過內吞－融合－外排方式釋放，作用于其他靶細胞。HAN 等［32］在 ADSCs 體外培養上清液中找到平均直徑為90 nm 的圓形或橢圓形膜囊，且外泌體特異性生物標志物CD63和熱休克蛋白－70 呈陽性，證實其為外泌體。ADSCs產生的外泌體（ADSCs－Exos）主要通過豐富的miRNA促進軟骨修復，還可減輕炎性反應，保護關節軟骨。

3 臨床應用

ADSCs 無論是單獨注射還是協同治療的臨床療效和影像學改善效果均顯著。不良反應方面，抽脂術并發癥發生率極低，1 項全國性調查報道為 0.1%［33］。多中心研究分析，經干細胞治療（包括骨髓間充質干細胞和ADSCs）患者，不良事件的發生率為12.1%（以疼痛和膝關節腫脹為主），嚴重不良事件發生率為1.5%（包括腫瘤、神經和血管事件），其中腫瘤的發生率為 0.3%［34］。這些臨床研究提示，ADSCs 治療骨關節炎有良好的臨床應用前景，且安全性高，但注射劑量尚無固定標準。同時，手術醫師水平、生物輔助劑的使用及未展開大規模臨床試驗，使ADSCs 的臨床療效評價存在一定局限性。詳見表2。

表2 ADSCs 治療骨關節炎的臨床研究Tab.2 Clinical studies of ADSCs in the treatment of osteoarthritis

4 優勢與不足

相較于骨髓來源的MSC，ADSCs 具有取材方便、制備簡單、干細胞產量高、免疫原性較低、致畸和致瘤性低等優點［41］。不足之處：1）沒有標準化的分離、提取操作流程；2）細胞來源的不可預測性；3）無法抑制機械因素，可能需要長期反復注射；4）現有臨床試驗多停留在Ⅰ期，且多數未嚴格遵循空白對照試驗法，盲法設計上存在對受試者開放的情況，可信度較低［42］，同時缺乏劑量療效試驗，難以指導后續臨床應用ADSCs 的合理用量。

目前，骨關節炎的發病呈現出低齡化趨勢。由于就診率低，很多患者在第1 次就診時就已達到中／重度，嚴重影響生活質量，也為國家醫療資源增加負擔。ADSCs 的出現使修復損傷組織、抑制疾病進展成為可能，其具體作用機制、遠期療效、潛在的免疫風險尚不明確，應進一步加強研究，為臨床應用提供詳盡的科學依據。