干細(xì)胞治療椎間盤退變的研究進(jìn)展

張蒯祥,楊江佳,殷建林,郝洋,章菲凡,李記天,,*

[1.河南省洛陽(yáng)正骨醫(yī)院(河南省骨科醫(yī)院),河南 鄭州 450016;2.湖南中醫(yī)藥大學(xué),湖南 長(zhǎng)沙 410000;3.河南中醫(yī)藥大學(xué),河南 鄭州 450046]

椎間盤退變(intervertebral disc degeneration,IDD)是臨床常見(jiàn)的椎間盤病理改變,IDD的發(fā)生給社會(huì)勞動(dòng)力帶來(lái)了沉重負(fù)擔(dān),同時(shí)也對(duì)患者家庭經(jīng)濟(jì)造成一定的影響[1]。椎間盤由髓核(nucleus pulposus,NP)、纖維環(huán)和軟骨終板構(gòu)成,是脊柱運(yùn)動(dòng)和負(fù)荷的結(jié)構(gòu)支撐,其主要特點(diǎn)為：無(wú)血管、缺氧、低糖、低PH、高滲和機(jī)械負(fù)荷。IDD的原因復(fù)雜多樣,主要包括衰老、機(jī)械壓力、遺傳因素、缺乏鍛煉、吸煙、肥胖、感染、創(chuàng)傷等。IDD主要表現(xiàn)為椎間盤高度的降低、纖維環(huán)出現(xiàn)裂隙或斷裂、NP中膠原蛋白和水分的丟失、椎體終板的鈣化等結(jié)構(gòu)的改變,繼而出現(xiàn)椎間盤膨出、突出、脫出等病理變化,并在相應(yīng)部位出現(xiàn)疼痛、麻木等臨床表現(xiàn)。研究表明,退化的椎間盤可以產(chǎn)生大量炎癥因子,炎癥因子的產(chǎn)生同時(shí)又可以進(jìn)一步加劇IDD的進(jìn)程[2-3]。因此,在某種程度上,IDD治療可能存在一些困難。目前,IDD的治療方法主要包括保守治療和手術(shù)治療兩種。在保守治療中,主要是通過(guò)相應(yīng)的物理療法(牽引、理療、推拿等)、藥物治療(中藥熏蒸、非甾體消炎藥、肌肉松弛藥物、改善微循環(huán)的藥物等)及康復(fù)訓(xùn)練(腰背肌功能鍛煉)等方式來(lái)緩解患者的疼痛、改善生活質(zhì)量等。而手術(shù)治療主要是通過(guò)椎間盤切除術(shù)或植入人工椎間盤等方式來(lái)治療。然而,保守治療雖然具有創(chuàng)傷小、患者痛苦相對(duì)較小、費(fèi)用低和患者易于接受等優(yōu)勢(shì),但其療效不穩(wěn)定且適用范圍也相對(duì)較窄。傳統(tǒng)的手術(shù)治療方法雖然見(jiàn)效快但也存在著創(chuàng)傷大、后遺癥多等不利因素。因此需要尋求一種新方法延緩IDD的進(jìn)展,甚至逆轉(zhuǎn)IDD的進(jìn)程。

干細(xì)胞具有良好的自我更新和分化能力,在實(shí)驗(yàn)室研究和臨床治療中具有廣泛的應(yīng)用前景。研究表明干細(xì)胞可以通過(guò)特定的分化途徑修復(fù)退變的椎間盤,臨床研究證實(shí)干細(xì)胞療法治療疼痛性脊柱疾病具有確切療效[4-5],研究者認(rèn)為通過(guò)干細(xì)胞治療來(lái)激活退變椎間盤的自我修復(fù)對(duì)于臨床治療IDD至關(guān)重要。本文對(duì)于干細(xì)胞在IDD治療中可能發(fā)揮的作用及機(jī)制進(jìn)行綜述,為后續(xù)干細(xì)胞在IDD治療中的應(yīng)用提供參考。

1 干細(xì)胞治療IDD的理論基礎(chǔ)

IDD通常是由椎間盤內(nèi)分解和合成過(guò)程的不平衡引起的,NP中促進(jìn)合成代謝的脊索細(xì)胞凋亡后致使椎間盤合成不足,進(jìn)而導(dǎo)致IDD的發(fā)生。因此,修復(fù)受損的髓核細(xì)胞是治療IDD的方法之一。

干細(xì)胞是具有多向分化潛能、自我更新能力的細(xì)胞,是處于細(xì)胞系起源頂端的最原始細(xì)胞,在體內(nèi)能夠分化產(chǎn)生某種特定組織類型的細(xì)胞,其修復(fù)椎間盤的機(jī)制主要是：(1)分化為髓核細(xì)胞,修復(fù)椎間盤。修復(fù)椎間盤的核心在于修復(fù)髓核細(xì)胞,當(dāng)正常的髓核細(xì)胞受到損傷后,其增殖的潛力有限。研究人員已將干細(xì)胞體外誘導(dǎo)分化為髓核樣細(xì)胞,可以有效地改善IDD。Binch等[6]成功將人脂肪來(lái)源的間充質(zhì)干細(xì)胞(mesenchymal stem cell,MSC)定向分化為髓核細(xì)胞來(lái)治療IDD。Daly等[4]通過(guò)實(shí)驗(yàn)用MSC促進(jìn)羊椎間盤切除術(shù)模型的腰椎間盤恢復(fù)。椎間盤中具有多種生長(zhǎng)因子可通過(guò)自分泌、旁分泌及內(nèi)分泌途徑促進(jìn)MSC向NP分化,同時(shí)MSC向NP分化還受到細(xì)胞共培養(yǎng)、低氧、三維生物支架、應(yīng)力變化等影響[7-10]。因此,可通過(guò)特定的方式誘導(dǎo)干細(xì)胞分化為髓核細(xì)胞來(lái)修復(fù)退變的椎間盤。(2)改善疼痛,調(diào)節(jié)椎間盤的內(nèi)環(huán)境。干細(xì)胞具有分泌多種細(xì)胞因子的能力,例如生長(zhǎng)因子、營(yíng)養(yǎng)因子、抑炎因子等。其中,生長(zhǎng)因子可誘導(dǎo)退變的椎間盤細(xì)胞再生,例如胰島素樣生長(zhǎng)因子能夠促進(jìn)髓核細(xì)胞蛋白聚糖及Ⅱ型膠原表達(dá)從而對(duì)NP基質(zhì)合成有促進(jìn)作用[11],成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子在退變的纖維環(huán)修復(fù)過(guò)程中有促進(jìn)作用[12];營(yíng)養(yǎng)因子可為細(xì)胞的合成生長(zhǎng)以及細(xì)胞外基質(zhì)合成提供營(yíng)養(yǎng)支持;抑炎因子可抑制炎癥反應(yīng)減緩IDD的進(jìn)程,促進(jìn)免疫調(diào)節(jié),從而改善內(nèi)環(huán)境,緩解疼痛等臨床癥狀[13]。黃曉東等[5]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在大鼠非壓縮性椎間盤突出模型中,骨髓MSC可通過(guò)抑制小膠質(zhì)細(xì)胞的活化來(lái)減輕神經(jīng)根性疼痛,并能夠下調(diào)促炎細(xì)胞因子的表達(dá)。(3)增加血供,改善椎間盤功能。椎間盤本身沒(méi)有血液供應(yīng),一旦受到損傷,很難進(jìn)行自我修復(fù)。張夏夢(mèng)等[14]通過(guò)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)椎動(dòng)脈型頸椎病模型動(dòng)物接受耳緣靜脈注射骨髓MSC混懸液后,骨髓MSC能上調(diào)CD4+CD25+調(diào)節(jié)性T細(xì)胞水平,從而有效抑制椎動(dòng)脈血管炎癥反應(yīng),修復(fù)受損椎動(dòng)脈血管。受損椎動(dòng)脈血管的恢復(fù),有利于IDD得到更大程度改善,緩解椎間盤的進(jìn)一步惡化。

2 干細(xì)胞治療IDD的現(xiàn)狀

2.1 單純使用干細(xì)胞治療IDD的現(xiàn)狀

研究表明,在治療IDD中,干細(xì)胞可以有效修復(fù)受損的椎間盤組織,從而改善椎間盤功能[4]。干細(xì)胞治療較傳統(tǒng)的治療方法而言,具有操作簡(jiǎn)單、治療效果持久等優(yōu)點(diǎn)。MSC可以用于IDD,參與緩解疼痛[15]以及術(shù)后預(yù)防進(jìn)一步退變、減少并發(fā)癥[16]等。在MSC的供體來(lái)源上,有研究者選用自/異體MSC或干細(xì)胞外囊泡治療IDD,均有良好的治療效果。Besalti等[16]證明應(yīng)用自體MSC治療IDD術(shù)后預(yù)后不良是一種很有前途的方法;Orozco等[17]針對(duì)10例IDD患者進(jìn)行自體骨髓MSC移植,通過(guò)隨訪,并對(duì)其疼痛評(píng)分和殘疾指數(shù)進(jìn)行評(píng)估,發(fā)現(xiàn)患者的疼痛和殘疾都有所改善。Wang等[18]實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,自體MSC-陶瓷復(fù)合材料在恒河猴體間融合模型植入3個(gè)月后,促進(jìn)骨再生,實(shí)現(xiàn)脊柱骨性融合;Xuan等[19]研究表明,椎間盤切除術(shù)聯(lián)合自體椎間盤源性細(xì)胞移植治療腰椎間盤突出是安全可行的。椎間盤源性細(xì)胞移植可以減緩原有IDD的加重,減少椎間盤切除術(shù)的并發(fā)癥。Noriega等[20]研究表明,異體MSC治療可能是治療IDD的有效選擇,異體MSC治療IDD的優(yōu)點(diǎn)是：干預(yù)簡(jiǎn)單,無(wú)需手術(shù),可以緩解疼痛,并通過(guò)觀察Pfirrmann分級(jí)變化發(fā)現(xiàn)其可顯著改善IDD。骨髓MSC通過(guò)分泌多種生物活性分子來(lái)應(yīng)對(duì)局部微環(huán)境中的刺激,Distefano等[21]研究表明可以不用外源性干細(xì)胞移植而采用人MSC來(lái)源的胞外囊泡從而實(shí)現(xiàn)椎間盤的無(wú)細(xì)胞生物活性修復(fù)。骨髓MSC可能受到受體的環(huán)境改變影響其功能,而干細(xì)胞來(lái)源的胞外囊泡的因其具有穩(wěn)定性高等特點(diǎn),其治療效果更具有可預(yù)測(cè)性及可控性。這種MSC胞外囊泡的治療策略可能通過(guò)刺激細(xì)胞增殖、促進(jìn)細(xì)胞遷移、保護(hù)細(xì)胞免受退行性促炎微環(huán)境的影響來(lái)實(shí)現(xiàn)的。Wang等[22]研究證實(shí)人骨髓MSC來(lái)源的細(xì)胞外囊泡通過(guò)SOX4/Wnt/β信號(hào)通路促進(jìn)退化的髓核細(xì)胞的增殖和細(xì)胞外基質(zhì)的合成。外泌體屬于細(xì)胞外囊泡的一種,Xiang等[23]研究也證實(shí),人尿源性干細(xì)胞外泌體通過(guò)蛋白激酶B(protein kinase B,AKT)和細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶(extracellular regulated protein kinases,ERK)信號(hào)通路顯著抑制壓力條件下內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡和IDD。因此,這是一種可行的治療策略。總之,無(wú)論是自體干細(xì)胞、異體干細(xì)胞還是干細(xì)胞外囊泡都是治療IDD的可行方法。

2.2 干細(xì)胞與生物載體等聯(lián)合應(yīng)用治療IDD

利用生物支架和MSC聯(lián)合應(yīng)用可修復(fù)椎間盤缺損,促進(jìn)其再生。Ukeba等[24]研究表明超純化干細(xì)胞與原位形成的生物可吸收凝膠的結(jié)合可促進(jìn)退變椎間盤的修復(fù),干細(xì)胞和凝膠聯(lián)合增強(qiáng)了嚴(yán)重IDD綿羊模型椎間盤切除術(shù)后(長(zhǎng)達(dá)24周)椎間盤的再生。徐寶山等[25]研究發(fā)現(xiàn)使用富含骨髓基質(zhì)細(xì)胞的明膠海綿修復(fù)腰椎椎間盤切除術(shù)后的椎間盤缺損是可行和有效的,因此這值得作為椎間盤修復(fù)的細(xì)胞療法進(jìn)行進(jìn)一步的研究和開(kāi)發(fā)。Guillaume等[26]研究發(fā)現(xiàn)增強(qiáng)形狀記憶藻酸鹽-膠原復(fù)合支架具有增強(qiáng)細(xì)胞遷移和增殖的優(yōu)勢(shì),可用于增強(qiáng)組織修復(fù)。梯度三維細(xì)胞包埋水凝膠作為椎間盤組織工程的潛在生物支架,具有與天然椎間盤相似的結(jié)構(gòu)和功能：內(nèi)部區(qū)域模仿NP組織,外部區(qū)域模仿層狀纖維環(huán)組織,與干細(xì)胞聯(lián)合應(yīng)用或能更好的修復(fù)椎間盤。研究發(fā)現(xiàn),干細(xì)胞的遷移跡象受到哺乳動(dòng)物椎間盤中細(xì)胞外基質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響[27],這對(duì)于開(kāi)發(fā)治療IDD的組織工程時(shí)是有用的。不過(guò),目前對(duì)于這方面的報(bào)道較少,開(kāi)發(fā)相關(guān)的生物材料需要進(jìn)一步研究。

研究表明,端粒酶縮短、DNA損傷、氧化應(yīng)激、微環(huán)境和外泌體等因素會(huì)誘導(dǎo)干細(xì)胞衰老而不利于椎間盤退行性疾病的治療[28-29]。因此可以通過(guò)藥物與干細(xì)胞聯(lián)合應(yīng)用通過(guò)改變椎間盤微環(huán)境或提高M(jìn)SC來(lái)源的細(xì)胞外囊泡在特定病變微環(huán)境中的輸送效率等方式提高干細(xì)胞治療能力[30]。左睿等[31]研究發(fā)現(xiàn),炎性細(xì)胞因子中的腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor,TNF)-α可增加細(xì)胞內(nèi)活性氧的水平,引起軟骨終板干細(xì)胞衰老和成骨分化;雷帕霉素誘導(dǎo)的自噬增強(qiáng)核因子E2相關(guān)因子2(nuclear factor E2 related factor 2,Nrf2)/Kelch樣環(huán)氧氯丙烷相關(guān)蛋白-1(Kelch-like ECH-associated protein 1,Keap1)信號(hào)傳導(dǎo),促進(jìn)抗氧化蛋白超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)1和 SOD2的表達(dá),從而消除活性氧,緩解干細(xì)胞衰老,減少軟骨終板干細(xì)胞的成骨分化,保護(hù)了軟骨終板干細(xì)胞免受TNF-α誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激和細(xì)胞衰老的影響。劉建軍等[32]研究表明,酸性條件可以顯著抑制細(xì)胞增殖,增加細(xì)胞凋亡。基因表達(dá)結(jié)果也表明,酸性條件可降低干細(xì)胞相關(guān)基因的表達(dá),抑制細(xì)胞外基質(zhì)的合成,并可增加酸敏感離子通道的表達(dá)。因此,在IDD的酸性條件下可以抑制NP中MSC的生物學(xué)行為,阿米洛利可以通過(guò)提高NP中MSC的活性來(lái)改善IDD。王子玉等[33]研究證實(shí)Sa12b(一種黃蜂肽)通過(guò)抑制酸敏感離子通道,提高嚴(yán)重酸性環(huán)境下退變NP中MSC的生物活性,延緩IDD,改善腰痛。因此,積極探索更合適的生物載體及藥物也為干細(xì)胞治療IDD提供了更多的思路。

3 干細(xì)胞治療IDD的問(wèn)題和挑戰(zhàn)

盡管在干細(xì)胞治療IDD的研究和應(yīng)用中已經(jīng)取得了許多進(jìn)展,但是目前如何使用它們以取得更好的效果仍然需要進(jìn)一步研究。因此未來(lái)還需要進(jìn)一步研究解決有關(guān)干細(xì)胞類型、細(xì)胞來(lái)源、植入方法、細(xì)胞數(shù)量及體積、安全性以及開(kāi)發(fā)更適合的生物載體等諸多問(wèn)題。

3.1 干細(xì)胞類型

不同類型的干細(xì)胞具有不同的分化潛能。現(xiàn)有的證據(jù)表明多種類型的干細(xì)胞對(duì)IDD的治療都是有效的,但目前尚不清楚哪種組織來(lái)源的干細(xì)胞是治療IDD的最佳選擇,干細(xì)胞的類型選擇需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究與臨床驗(yàn)證。胚胎干細(xì)胞雖然是一類具有無(wú)限增殖能力和多種分化潛能的細(xì)胞,但由于其倫理方面等原因,目前研究較少也限制了其臨床應(yīng)用。骨髓MSC來(lái)源于骨髓,具有相對(duì)容易獲取且具有免疫調(diào)節(jié)功能,然而它們的分化潛能隨著擴(kuò)增次數(shù)的增加而降低,從骨髓中收集細(xì)胞會(huì)導(dǎo)致供體部位疼痛。脂肪來(lái)源的MSC具有與骨髓來(lái)源的MSC相似的特性,并且具有易獲得性和較高的生產(chǎn)效率等優(yōu)點(diǎn)。Kumar等[34]開(kāi)展了脂肪干細(xì)胞治療IDD的Ⅰ期臨床試驗(yàn),該臨床試驗(yàn)的成功表明了脂肪干細(xì)胞治療IDD的有效性和安全性,滑膜來(lái)源的MSC比骨髓和脂肪來(lái)源的MSC具有更高的分化潛能。然而,滑膜MSC移植治療IDD的有效性尚未見(jiàn)報(bào)道,有待進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究。與其他種類干細(xì)胞相比,臍帶MSC治療IDD的研究報(bào)道較少,還需要對(duì)其安全性和有效性進(jìn)行驗(yàn)證。龐曉東等[35]通過(guò)對(duì)11例慢性椎間盤性腰痛患者接受臍帶MSC移植治療,在2年的隨訪期間,發(fā)現(xiàn)疼痛視覺(jué)模擬評(píng)分(visual analogue scale,VAS)和Oswestry功能障礙指數(shù)(Oswestry disability index,ODI)明顯下降。因此,移植人臍帶來(lái)源的MSC是治療慢性椎間盤性腰痛的良好替代方法。

3.2 干細(xì)胞來(lái)源

干細(xì)胞來(lái)源也是臨床治療中必須考慮的問(wèn)題之一。自體MSC因其具有更高的安全性,在目前的研究中應(yīng)用廣泛,但因其應(yīng)用成本較高、臨床應(yīng)用需等待周期長(zhǎng),同時(shí)具有細(xì)胞數(shù)量有限的缺點(diǎn)。而異體MSC來(lái)源廣泛,可提前擴(kuò)增、提前大量生產(chǎn)與存儲(chǔ),因此具有成本低、臨床治療效率高等優(yōu)點(diǎn)。椎間盤內(nèi)無(wú)血供,理論上免疫原性的反應(yīng)很低,因此可廣泛應(yīng)用。但是值得注意的是,雖然這一研究領(lǐng)域已經(jīng)取得了諸多進(jìn)展,但是實(shí)現(xiàn)更加標(biāo)準(zhǔn)化、安全性更高的應(yīng)用仍然需要大量問(wèn)題亟待解決。

3.3 移植方法

移植方法是IDD的細(xì)胞治療的主要障礙之一,干細(xì)胞移植絕大多數(shù)是采用椎間盤內(nèi)注射,而注射過(guò)程對(duì)操作者有一定的技術(shù)要求,否則極有可能導(dǎo)致椎間盤進(jìn)一步損傷,這可能進(jìn)一步導(dǎo)致IDD。目前關(guān)于干細(xì)胞靜脈注射和椎間盤內(nèi)注射等方法對(duì)損傷椎間盤修復(fù)的作用研究比較少,Tam等[36]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),干細(xì)胞靜脈注射和椎間盤內(nèi)注射后都沒(méi)有改善IDD及恢復(fù)椎間盤高度,但兩種方式都可能通過(guò)旁分泌作用增加了糖胺聚糖蛋白和蛋白聚糖基因的表達(dá)。因此,需要大樣本的實(shí)驗(yàn),來(lái)進(jìn)一步驗(yàn)證不同移植方法對(duì)于IDD的影響,以選擇理想的移植方法。

3.4 其他問(wèn)題

理想的干細(xì)胞移植載體應(yīng)與人體具有生物相容性,具有椎間盤類似的結(jié)構(gòu)和功能。然而,哪種載體最適合干細(xì)胞,且不良反應(yīng)較少,需要進(jìn)一步研究。

此外,IDD程度與移植干細(xì)胞的數(shù)量之間的關(guān)系目前研究較少;移植的干細(xì)胞是否在局部存活也無(wú)長(zhǎng)期有效的監(jiān)測(cè)手段;干細(xì)胞具有較強(qiáng)的分化潛能,干細(xì)胞移植后如何保證正常分化而不產(chǎn)生不良的細(xì)胞分化甚至是否會(huì)誘導(dǎo)腫瘤的發(fā)生還需要進(jìn)一步研究;異體細(xì)胞移植是否會(huì)發(fā)生免疫排斥也無(wú)可靠的證據(jù)。而且干細(xì)胞移植對(duì)于操作者也有一定的要求,否則可能導(dǎo)致椎間盤炎和骨髓炎的發(fā)生[37]。總之,在干細(xì)胞治療IDD的臨床應(yīng)用中還存在著諸多問(wèn)題,需要突破這些問(wèn)題是解決干細(xì)胞治療IDD在臨床中應(yīng)用的關(guān)鍵所在。

4 結(jié) 論

隨著人們生活方式的改變以及老齡化程度的加重,IDD患者數(shù)量逐漸增加,患者的治療負(fù)擔(dān)也逐漸加重。目前常用的治療IDD的方法都有著一定的局限性,在經(jīng)典治療方法的基礎(chǔ)上衍生出一系列的新方法,這些方法補(bǔ)充和完善了IDD治療的許多方面。值得注意的是,雖然干細(xì)胞治療IDD在臨床上已取得初步成功,但仍有許多問(wèn)題有待解決,需要更多的基礎(chǔ)研究和臨床試驗(yàn)來(lái)尋找干細(xì)胞分化的潛在分子機(jī)制、理想的細(xì)胞來(lái)源及類型、優(yōu)化的移植物和移植方法等。隨著研究的不斷深入,相信干細(xì)胞可以為IDD患者提供更多的選擇和幫助。