生物工程杂志阐述：干细胞治疗骨关节炎的进展

近年来，骨关节炎（OA）（一种关节退行性疾病）的患病率大幅增加。其主要致病标志包括关节软骨破坏、滑膜炎症和骨重塑。然而，治疗结果并不令人满意。直到最近，常见的治疗方法，例如镇痛和抗炎治疗，旨在治疗无法根治的症状。

近期，生物工程期刊杂志发表了一篇《间充质干细胞治疗骨关节炎的进展：从临床前和临床角度》的综述，本研究旨在探讨间充质干细胞治疗骨关节炎的潜在机制，并对临床前和临床数据进行全面审查。

一、简介

全球人口的10%到15%患有骨关节炎 (OA)，这是一种以软骨退化和滑膜炎为特征的疾病。它是一种快速发展的现代疾病。 图1详细总结了病理过程。

危险因素有很多，如性别、年龄、创伤、肥胖和遗传。自上世纪中叶以来，OA不仅呈现出全球范围内最高的发病率，而且也迫使各个发达国家承受沉重的经济负担。因为它是一种致残疾病。目前临床上尚无理想的特效药物用于治疗OA。

为了缓解早期炎症和不适，主要使用非甾体抗炎药和镇痛药，如葡萄糖胺、软骨素补充剂以及关节内局部注射皮质类固醇。尽管这是一种侵入性手术，经常伴有严重的无法控制的并发症，但关节置换术在晚期病例中发挥着重要作用。然而，假肢的使用寿命和受损肢体的功能恢复并没有我们最初预期的那么积极，甚至可以用受限来形容。因此，研究更安全、更有效的骨关节炎治疗方法至关重要。

近年来，一些学者对间充质干细胞进行了广泛的研究，间充质干细胞是一种在许多研究中使用的特殊成体干细胞自我更新和分化的能力。间充质干细胞也广泛分布于全身，这表明它们可能被用作骨关节炎治疗的替代细胞来源。研究表明，骨关节炎期间软骨表层承受着绝大多数损伤。重要的是，几种间充质干细胞类型与软骨细胞的分化有关。在软骨重塑过程中，表面软骨受到的影响最小；此外，在重塑后，双向有丝分裂活跃的细胞可以水平或垂直补充软骨细胞。

用于治疗骨关节炎的间充质干细胞的特点

间充质干细胞作为特定类型的成体干细胞，由于其自我更新和分化能力，在骨组织工程和再生治疗方面具有巨大潜力。间充质干细胞的多能性、广泛可用性和低免疫原性使其成为生物修复领域的热门话题。1976年，弗里登斯坦等人。从不同组织中鉴定并制备了间充质干细胞，包括脂肪、胎盘、脐带、滑膜、骨骼和牙髓。

如图2，MSCs主要从骨髓、脂肪组织、脐带和滑膜中提取，具有分化为脂肪细胞、软骨细胞和成骨细胞。

间充质干细胞治疗骨关节炎的潜在机制

多项临床研究已探讨了MSC在免疫和炎症性疾病方面的治疗潜力。BM-MSC产生免疫调节和抗炎物质。因此，间充质干细胞能够有效地下调免疫炎症过程并促进组织再生，因为它们表现出特定的免疫学特征和活性。当组织受损时，提高调节免疫系统潜力的局部组织祖细胞就会被调用并激活。骨关节炎的特点是免疫细胞（主要是单核细胞/巨噬细胞，然后是T细胞）涌入滑膜。此外，骨关节炎滑液含有肥大细胞、自然杀伤(NK)细胞、树突状细胞、B细胞和粒细胞。

• 首先，BM-MSCs可能通过抑制成熟树突状细胞的发育和降低NK细胞的细胞毒性来控制先天免疫。
• 其次，间充质干细胞可以通过防止细胞死亡（细胞凋亡）和减缓T细胞和B细胞的发育来改变获得性免疫。
• 最后，间充质干细胞可能将巨噬细胞从炎症 (M1) 表型转变为恢复性 (M2) 表型。已证明BM-MSC可以诱导巨噬细胞表型从产生IL-1和TGF-β的促炎M1表型转变为产生IL-10、IL-10和IL-10的抗炎和软骨形成表型。

一些研究表明，植入的间充质干细胞可通过分泌促进关节软骨细胞增殖和合成代谢的物质，促进干/祖细胞募集和软骨分化。研究表明，间充质干细胞产生的因子可影响滑膜和关节软骨细胞，从而控制合成代谢和分解代谢过程，并增加炎症和软骨生成分子介质的合成。此外，通过下调神经痛通路，减少炎症可减轻神经性疼痛。

提供间充质干细胞的方法

传统上，间充质干细胞的自体移植被用于治疗骨关节炎。大多数OA患者都是老年人，他们的细胞在体外增殖和分化能力减弱。对于这些患者来说，在短时间内制造间充质干细胞是不切实际的，因此限制了自体间充质干细胞的治疗用途。有研究表明，与其他干细胞不同，间充质干细胞具有独特的免疫抑制和免疫耐受性，以及较低的免疫原性，因此可防止同种异体移植中的异体排斥反应。

因此，间充质干细胞的异种移植被认为是安全的，有望广泛应用于临床。大多数研究采用单次注射异体间充质干细胞来缓解OA；但也有少数研究报告称，多次注射可进一步提高疗效。

静脉注射间充质干细胞治疗骨关节炎的必要性鲜有记载；大多数注射都是直接在关节腔内进行的。这种技术可促进受损软骨的愈合，同时将间充质干细胞直接分化为软骨细胞，并在受损区域产生基质；但其他研究表明，间充质干细胞的寿命有限。将间充质干细胞以凝胶的形式注入关节腔可改善患者的预后，但在关节镜下将间充质干细胞植入软骨缺损处的效果似乎更佳。

此外，间充质干细胞的数量可能对OA患者的康复和预后起着重要作用。不同的供体、受体、细胞生长程序和传输都使得间充质干细胞适当剂量的标准化具有挑战性。例如，从骨髓中提取的间充质干细胞的剂量在8×10⁶和10×10⁶之间，有时甚至超过20×10⁶，但它们大多在1-100×10⁶之间。研究证明，随着剂量的增加，间充质干细胞治疗OA的效率会有一定程度的提高。

多次注射和间充质干细胞剂量可能是治愈OA的关键预后变量。间充质干细胞的理想用量仍不确定，需要进一步研究。目前已确定，需要注射>1×10⁷的间充质干细胞才能有效修复。已采用的BM-MSCs注入量从8×10⁶或>10×10⁶到>20×10⁶不等，除最低剂量的间充质干细胞外，BM-MSCs的效果优于对照组。多次注射更适合异体间充质干细胞方法，但也可用于自体方法。

干细胞治疗骨关节炎的临床前试验

动物实验证明关节腔内注射间充质干细胞可以增强关节性能，为后续临床试验提供了令人鼓舞的参考（表格1）。

参考	年	动物模型	间充质干细胞的来源	病变准备	结果
堀江等人。 [76]	2009年	鼠	自体滑膜	半月板切除术	MSCs粘附在半月板病变处，直接发育成半月板细胞，促进半月板修复和再生。
堀江等人。 [77]	2012年	鼠	异种（人）骨髓	半月板切除术	II 型胶原表达水平上升，OA 的进展显着减慢。
崔等人。 [78]	2015年	鼠	同种异体骨髓	ACLT/内侧半月板切除术	Mankin评分显着提高，II型胶原mRNA表达增加。
van Buul 等人。 [79]	2014年	鼠	同种异体骨髓	通过MIA注射诱导	局部注射间充质干细胞显着改善关节功能，但软骨改善、软骨下骨病理、滑膜炎等方面无统计学差异。
Ozeki 等人。 [61]	2016年	鼠	异种（人类） 滑膜	ACLT	注射的 Sy-MSC 使与软骨保护相关的基因（例如 PRG-4 和 BMP-2）的表达增加了 50 倍以上。
他等人。 [80]	2020年	鼠	同种异体骨髓	碘乙酸钠注射液诱导	外泌体治疗后软骨组织中COL2A1蛋白显着上调，MMP13蛋白显着下调。
Xing 等人。 [81]	2021年	鼠	异种（人类）胚胎干细胞	ACLT	多次注射胚胎间充质干细胞的更好治疗效果在治疗后的短期和长期都得以维持。
杨等人。 [82]	2022年	鼠	自体脂肪组织	碘乙酸钠注射液诱导	使用脂肪干细胞的治疗有助于关节软骨修复。
Zellner 等人。 [68]	2017年	兔子	自体和异种（人）骨髓	外侧半月板出现冲孔缺陷	人类 MSC 表现出 II 型胶原蛋白基因的表达和胶原蛋白的合成显着增加。
马塔等人。 [83]	2017年	兔子	异种（人类） 牙髓	股骨滑车沟缺损	术后3个月观察到明显的软骨再生。
里斯特等人。 [84]	2017年	兔子	异种（人类） 脂肪组织	双侧内侧前半月板切除术	耐受性良好，未发现关节内关节组织损伤的证据。
Jeon 等人。 [85]	2020年	兔子	异种（人类） 脐带血	ACLT	用 HUCB-MSC 处理的兔滑液和关节显示炎症减轻，蛋白多糖和 2 型胶原蛋白的产生和结构得到改善。
裴等人。 [86]	2009年	兔子	同种异体滑膜	全层股骨髁软骨缺损	在 6 个月的随访中，再生的软骨呈现出光滑的透明软骨。
李等人。 [87]	2013年	兔子	自体滑膜	股骨滑车沟骨软骨缺损	治疗组在 6 个月的随访中显示出显着改善的微观和宏观评分。
下村等人。 [88]	2014年	兔子	同种异体滑膜	股骨沟骨软骨缺损 股骨沟	与仅使用 HA 的对照组相比，使用 Sy-MSC 和 HA 的受试者表现出更快的整合和改善的骨软骨外观。
李等人。 [89]	2016年	兔子	自体滑膜	右膝滑车骨软骨缺损	接受治疗的动物具有更高质量的组织。
施马尔等人。 [90]	2018年	兔子	同种异体滑膜	股骨内侧髁骨软骨缺损	宏观再生能力增强。
墨菲等人。 [91]	2003年	山羊	自体骨髓	手术切除内侧半月板 前十字韧带重建	观察到软骨组织再生，但在再生软骨区域发现相对缺乏标记的MSC。
Saw 等人。 [92]	2009年	山羊	自体骨髓	关节镜软骨下钻孔	使用骨髓抽吸底漆与透明质酸相结合可以改善组织整合和组织修复。
冯等人。 [93]	2018年	山羊	同种异体脂肪组织	前交叉韧带 韧带切除术/内侧半月板切除术	MRI、宏观和显微计算机断层扫描以及软骨特异性染色检查表明，AD-MSCs+HA治疗组保留了关节软骨的典型特征，有效阻止了OA的进展，并促进了软骨再生。
McIlwraith 等人。 [94]	2011年	马	同种异体骨髓	软骨下骨 微骨折	关节内 BM-MSC 注射组的组织学分析显示，恢复的软骨中蛋白聚糖和组织硬度有所改善。
布莱克等人。 [95]	2007年	狗	自体脂肪组织	功能障碍	跛行指数、疼痛评分和活动范围显着增加。
布莱克等人。 [96]	2008年	狗	自体脂肪组织	功能障碍	狗的跛行和活动范围明显改善。
Huňáková 等人。 [97]	2020年	狗	同种异体脂肪组织	未经治疗的肘部 发育不良	来自拉布拉多猎犬的犬脂肪组织的双重关节内注射改善了狗的功能能力。
李等人。 [98]	2007年	猪	自体骨髓	股骨内侧髁软骨缺损	软骨缺损软骨愈合得到改善。

干细胞治疗骨关节炎的临床试验

除了动物实验外，间充质干细胞在临床试验中也取得了良好的进展（表2）。

参考	年	健康）状况	样本量	间充质干细胞的来源	管理方式	跟进	结果
Wakitani 等人。 [103]	2007年	髌股关节全层关节软骨缺损	N=3; 女性=1; 男=2； 平均年龄 =40岁	自体骨髓间充质干细胞	以胶原凝胶包裹 BM-MSC 的形式进行手术植入（5×106个细胞/mL）	1年	IKDC评分均提高至 60 以上。MRI 显示缺陷已被纤维软骨组织修复。
Centeno 等人。 [104]	2008年	退行性膝骨关节炎	N=1; 女性=0； 男=1； 平均年龄 =46岁	自体骨髓间充质干细胞	经皮注射（2.24×108）	6个月	3个月后，VAS从4下降到0.38，降低了95%。伸展时关节活动范围从-2度增加到+3度。
奥罗斯科等人。 [69]	2013年	K–L II–IV 级膝骨关节炎	N=12； 女性=6； 男性=6； 平均年龄 =49±5岁	自体骨髓间充质干细胞	关节内注射（40×10细胞）	1年	通过 T2 松弛测量对软骨质量进行量化，结果表明不良软骨区域平均减少了 27%；记录的平均 VAS 值为 45 和 47。
奥罗斯科等人。 [105]	2014年	K–L II–IV 级膝骨关节炎	N=12； 女性=6； 男性=6； 平均年龄 =49±5岁	自体骨髓间充质干细胞	关节内注射（40×10细胞）	2年	VAS 的治疗效率为 0.71，Lequesne 严重指数的治疗效率为 0.66； WOMAC 得分在 0.44 到 0.78 之间变化。
Lamo-Espinosa 等人。 [106]	2016年	K–L II–IV 级膝骨关节炎	N=30； 女性=11； 男性=19； 平均年龄 =61岁	自体骨髓间充质干细胞	关节内给药（10 或 100 × 106）	1年	一年后，对照组、低剂量组和高剂量组的中位 VAS 评分分别从 5、7 和 6 变为 4、2 和 2。一年后，高剂量组的 WOMAC 评分提高了 16.5 分。
Lamo-Espinosa 等人。 [107]	2020年	K–L II–IV 级膝骨关节炎	N=60； 女性=27； 男性=3； 平均年龄 =55岁	自体骨髓间充质干细胞	髌骨外侧给药（100 × 106）	1年	PRGF 中的平均 VAS 值® 和带有 PRGF 的 BM-MSC® 组在 1 年后分别从 5 和 5.3 变为 4.5 和 3.5。 WOMAC得分分别从31.9和33.4变为22.3和23.0。
Vangsness 等人。 [108]	2014年	半月板部分切除术后	N=55； 女性=20； 男性=35； 平均年龄 =46岁	同种异体骨髓间充质干细胞	膝关节上外侧注射（50 或 150 × 106）	2年	半月板体积（注射 50 × 106 BM-MSC 组中有 24% 的患者，注射 150 个 BM-MSC 组中有 6% 的患者× 106 BM-MSC) 显着增加。
Vega 等人。 [109]	2015年	K–L II–IV 级慢性膝骨关节炎	N=30； 女性=17； 男性=13； 平均年龄 =57±9岁	同种异体骨髓间充质干细胞	关节内注射（40 × 106）	1年	实验组和对照组的平均VAS评分分别从54和64增加到33和51。 WOMAC 疼痛评分分别从 46 和 50 增加到 30 和 44。
古普塔等人。 [110]	2016年	K–L II–III 级膝骨关节炎	N=60； 女性=45； 男性=15； 平均年龄 =56±7.43岁	同种异体骨髓间充质干细胞	关节内注射（25、50、75或150 × 106）	1年	所有治疗组的 WOMAC 和 ICOAP 总分均下降，除 150 × 10 组外的所有治疗组的 VAS 评分均下降6 组，并且25 × 106 组下降幅度最大（64.8%、34.6% 和 67.4%）。
乔等人。 [65]	2014年	K–L III–IV 级膝骨关节炎	N=18； 女性=15； 男性=3； 平均年龄= 62岁	自体AD-MSC	关节内注射（1、5或10 × 107）	6个月	10×10组WOMAC评分7组下降39%，1、10×组KSS膝部评分下降107 组分别增加了 91% 和 50%。
Koh 等人。 [111]	2012年	K–L II–IV 级膝骨关节炎	N=25； 女性=17； 男性=8； 平均年龄= 54.1岁	自体AD-MSC	经皮注射联合关节镜清创术（1.89×106）	16.4个月	研究组的平均 Lysholm 和 Tegner 活动量表分别提高了 26.9 分和 1.3 分； VAS评分下降2.2分。
Pers 等人。 [112]	2016年	K–L III–IV 级膝骨关节炎	N=18； 女性=10； 男性=8；平均年龄=64.6岁	自体AD-MSC	关节内注射（2、10或50 × 106）	6个月	没有报告严重不良事件，2 × 106 组的 WOMACpain 评分下降了 30.7 ± 10.7 mm。6 一个>
弗雷塔格等人。 [113]	2019年	K–L II–III 级膝骨关节炎	N=30； 女性=14； 男性=16；平均年龄= 53.6岁	自体AD-MSC	关节内注射（100×106）	1年	治疗组的 NPRS 改善了 69%。 WOMAC 平均分从 57 分变为 85.7 分。
李等人。 [114]	2019年	K–L II–IV 级膝骨关节炎	N=24； 女性=18； 男性=6；平均年龄=62.7岁	自体AD-MSC	关节内注射（1 × 108）	6个月	AD-MSC组的WOMAC和VAS评分分别从60和6.8变为26.7和3.4。
卢等人。 [115]	2019年	K–L I–III 级膝骨关节炎	N=52； 女性=46； 男性=6；平均年龄 = 55 岁	自体AD-MSC	关节内注射（5 × 107）	1年	与左膝基线和 108.70 相比，治疗组关节软骨总体积增加了 193.36 ± 282.80 mm3右膝 1 年内 ± 220.13 毫米3。
卢等人。 [116]	2020年	K–L II–III 级膝骨关节炎	N=22； 女性=19； 男性=3； 平均年龄 = 57.93岁	同种异体AD-MSC	关节内注射（1、2 或 5 × 107）	48周	VAS、SF-36 和 WOMAC 评分的联合评估有所改善，三个实验组的平均值分别为 2.03、15.3 和 16.97。
王等人。 [117]	2016年	中度或重度退行性膝骨关节炎	N=36； 女性=15； 男性=21； 平均年龄 = 53.33岁	同种异体HUC-MSC	关节内注射（(2–3) × 107）	6个月	细胞治疗组1-6个月时的Lysholm和WOMAC评分以及2-6个月时的SF-36量表评分均显着优于治疗前。
帕克等人。 [118]	2017年	K–L III 级膝骨关节炎和 ICRS IV 级病变	N=7； 女性=5； 男性=2； 平均年龄 = 58.7岁	同种异体 HUCB-MSC	通过手术植入含有干细胞和透明质酸水凝胶的复合物 (0.5 × 107)	7年	在12周的关节镜检查中观察到成熟的修复组织。第 24 周时，100 mm VAS 和 IKDC 评分分别从 49.1 和 39.1 变为 19.3 和 63.2。

自体间充质干细胞治疗骨关节炎

基于良好的体外和临床前结果，使用间充质干细胞治疗人类骨关节炎治疗已进入临床研究阶段。单次注射BM-MSC的多个小组发现临床改善。

胁谷等人发现OA患者膝盖的软骨异常可以通过使用患者自身骨髓产生的MSC来治愈。经证实，BM-MSCs在关节镜下表现出较高的组织学等级，表明MSCs通过免疫调节修复和重建软骨，可以缓解关节炎症状。

在一项II期随机对照研究中报道了利用自体富血小板血浆 (PRGF®) 作为MSC的佐剂临床试验，随访后视觉模拟量表 (VAS) 和西安大略大学和麦克马斯特大学骨关节炎指数 (WOMAC) 评分有所改善，表明这两种方法是膝骨关节炎的可行治疗选择。

异体间充质干细胞治疗骨关节炎

人脐带源性间充质干细胞治疗骨关节炎

通过干关节镜检查，Sadlik等人将覆盖有胶原支架的HUC-MSC植入体内五名患者的软骨缺损。术后未观察到感染、滑膜过度增生、肿瘤形成、移植排斥和移植物抗宿主反应。所有情况下早期膝关节不适均得到缓解，但长期效果仍需进一步评估。

此外，Wang等人还用HUC-MSC治疗中重度OA患者。3个月和6个月后，细胞治疗组的SF-36量表、Lysholm和WOMAC评分有显着改善。此外，研究表明胎盘间充质干细胞可能在运动医学中具有用途。

人脐带血来源的间充质干细胞治疗关节炎

还评估了人脐带血来源的间充质干细胞（HUCB-MSC）治疗软骨再生的安全性和有效性。根据国际软骨修复协会的数据，HUCB-MSC用于治疗7名患有KLIII级OA和IV级软骨缺损的患者。同种异体HUCB-MSC在体外生长，然后与HA水凝胶结合并应用于损伤部位。微骨折方案与这些细胞结合使用。12周后，修复的组织似乎成熟，24周后，临床评分增加。在整个7年随访过程中，临床改善的稳定性也值得注意。组织学用于在手术后一年显示透明软骨，而MRI用于在手术后3年显示软骨再生，如图所示图3（其中钆-DTPA用作造影剂，以蓝色显示）。

(A) 术前软骨缺损。(B) 移植后3年软骨再生。(C) 通过在标记区域采样来计算相对软骨松弛率的变化。(D) 显示与蓝色信号相关的GAG含量增加。

在7年的随访期间，没有发现恶性肿瘤病例，只有5名患者出现中度至重度治疗相关不良事件。

干细胞治疗骨关节炎的荟萃分析

MSC移植用于治疗OA的安全性和有效性已通过多项荟萃分析得到证实。例如，皮特斯等人对自体MSC治疗OA进行了系统分析，包括844名患者，平均随访时间为21个月。在所有纳入的研究中，关节内注射各种来源（骨髓、脂肪和脐带血）的间充质    干细胞被证实在治疗骨关节炎方面是有效和安全的。4人经历了严重的问题，包括骨髓感染和肺栓塞（被认为与骨髓提取有关），以及22种可能的不良反应，主要表现为关节疼痛和水肿加剧，与该手术有关。

一项荟萃分析评估了不同来源的MSC治疗KOA的临床有效性和安全性，该荟萃分析包括18项试验和565名患者，这表明间充质干细胞的利用可以增强KOA患者的基本评估、身体机能、疼痛缓解和安全性。

最近的一项荟萃分析包含79项随机对照试验。自体条件血清、骨髓抽吸浓缩物、肉毒杆菌毒素、皮质类固醇、透明质酸、间充质干细胞、臭氧、盐水安慰剂、富含血小板的血浆、高生长因子血浆和基质血管部分均作为关节内注射剂（SVF）进行测试。结果表明，不推荐MSC治疗OA。

最近的另一项荟萃分析仅包含十八次满足纳入标准的论文。这项荟萃分析证实了间充质干细胞治疗老年人膝骨关节炎的安全性和有效性，表明这些疗法可以减轻症状性膝骨关节炎的疼痛并增强膝关节功能。

结论与展望

骨关节炎是一种复杂的疾病，随着人口老龄化，越来越多的人受到影响。目前，OA的治疗重点是缓解临床症状、改善关节活动度、提高患者的生活质量。然而，关节软骨退化的过程并未逆转，因此无法实现骨关节炎的彻底治愈。

随着对细胞再生和软骨修复的研究不断增加，单核细胞和间充质干细胞来源广泛的优势及其增殖能力有望减缓骨关节炎的进展并实现彻底治愈。临床前研究和临床试验强调了间充质干细胞在治疗骨关节炎方面的治疗潜力。然而，尽管间充质干细胞具有治疗价值，但距离临床应用还有相当长的路要走。 

参考资料：Lv Z, Cai X, Bian Y, et al. Advances in Mesenchymal Stem Cell Therapy for Osteoarthritis: From Preclinical and Clinical Perspectives. Bioengineering (Basel, Switzerland). 2023 Feb;10(2):195. DOI: 10.3390/bioengineering10020195. PMID: 36829689; PMCID: PMC9952673.

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