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关节内注射干细胞促进软骨再生:干细胞治疗骨关节炎的流程涵盖6大过程

目前调节骨关节炎的方法主要侧重于症状管理;然而,这些方法通常具有显著的副作用,可能不适合长期护理。作为传统治疗的替代方法,将干细胞注射到膝关节软骨中是修复受损软骨的一种有希望的选择。

近日,发表于《生物分子与治疗学》上的一项研究表明,干细胞注射治疗膝关节软骨损伤代表了骨科护理的一个有希望的前沿。

关节内注射干细胞促进软骨再生:干细胞治疗骨关节炎的流程涵盖6大过程

它们提供了潜在的好处,例如减轻疼痛和炎症、促进软骨修复和再生,以及避免膝关节手术等更具侵入性的治疗的可能性。研究人员、临床医生和监管机构之间的持续合作对于推动该领域的发展以及将科学发现转化为有效的临床应用至关重要。

关节内注射干细胞促进软骨再生:干细胞治疗骨关节炎的流程涵盖6大过程

在这篇综述中,我们概述了干细胞治疗膝关节软骨再生的一般程序,强调了关节内干细胞注射作为骨关节炎治疗选择的潜力。我们研究并总结了膝关节干细胞治疗的患者评估和准备、干细胞采集、干细胞制备、干细胞治疗的注射程序、注射后护理和监测、干细胞治疗的潜在结果,以及干细胞治疗的注意事项和风险

骨关节炎的的特征

骨关节炎(OA)的特点是关节软骨和软骨下骨退化。它是老年人群中最常见的退行性关节疾病。它的常见症状包括关节僵硬和疼痛、滑膜组织炎症、骨刺形成、关节软骨退化以及潜在骨结构的变化。已确定的致病因素包括机械应力、关节结构损伤、炎症、氧化应激和衰老(图1)。 

图1:膝骨关节炎的病理生理学。
图1:膝骨关节炎的病理生理学。

骨关节炎是影响老年人群的最常见退行性关节疾病,其特征是关节软骨和软骨下骨的退化。常见症状包括关节僵硬和疼痛、滑膜组织炎症、骨刺形成、关节软骨退化以及骨结构变化。已确定的病因包括机械应力、关节结构损伤、炎症、氧化应激和衰老。

尽管研究仍在继续,但由于组织破坏的分子机制尚不清楚,因此OA的彻底治愈或综合管理策略仍然遥遥无期。软骨细胞产生的、存在于关节组织和体液中的炎症细胞因子,以及关节内组织的低度炎症,都会影响OA的发病和进展。软骨合成和降解之间的失衡是导致这种疾病的主要原因。

天然产物是开发新药的绝佳来源。因此,我们的目标是开发有效的药理学策略来恢复平衡和改善OA治疗,特别是通过使用从药用植物和天然产品中提取的新型制剂。然而,无论是我们的团队还是该领域的其他研究人员,都没有发现或确立明确的治疗药物。目前调节OA的方法主要集中在症状管理上,以减轻疼痛、提高生活质量和减少残疾。治疗方案包括药物和非药物干预(图2,表1)。

图2:膝骨关节炎的当前治疗策略。
图2:膝骨关节炎的当前治疗策略。

当前治疗骨关节炎的方法侧重于症状管理,以减轻疼痛、改善生活质量和减少残疾。治疗方案包括药物和非药物干预。

表1:常规治疗膝骨关节炎的方法
表1:常规治疗膝骨关节炎的方法

非药物治疗方法强调减肥、锻炼、使用替代药物、多种抗炎草药、营养保健品和手术干预。药物治疗包括非甾体抗炎药(NSAIDs)、治疗 OA的慢作用药物、镇痛药、潜在的疾病改变药物、骨靶向药物以及关节内注射皮质类固醇和透明质酸。然而,这些疗法并不能从根本上解决OA问题,而且副作用较大,可能不适合长期治疗。

干细胞技术成为治疗骨关节炎的新方法

在膝关节软骨中注射干细胞是治疗OA的传统方法之外的另一种选择,它可以治愈受损的软骨,并有可能推迟或避免膝关节置换手术。

干细胞被定义为未分化细胞,其特点是具有以下双重能力:在保持未分化状态的同时,能够经历无数次细胞分裂周期;能够分化为具有独特功能和特性的特化细胞类型(图3)。

图3:干细胞治疗膝骨关节炎
图3:干细胞治疗膝骨关节炎

作为调节骨关节炎的传统方法的替代方法,将干细胞注入膝关节软骨是一种有前途的治疗选择,旨在治愈受损的软骨并可能延迟或避免膝关节置换手术的需要。

基于上述信息,本综述的主要目的是解释干细胞治疗膝关节软骨再生的一般程序,强调关节内干细胞注射可有效促进膝关节软骨再生,是治疗OA的一种选择(图4)。

图4:干细胞治疗膝关节骨关节炎的过程
图4:干细胞治疗膝关节骨关节炎的过程

干细胞治疗骨关节炎的流程

01膝关节干细胞治疗患者的评估和准备

针对膝关节软骨损伤的干细胞治疗的患者评估和准备包括通过先进的成像研究(例如磁共振成像 (MRI))对膝关节状况进行全面评估,同时仔细考虑患者的具体标准,包括年龄、整体健康状况、膝关节OA的严重程度以及对之前治疗的反应。这种系统性方法可确保干细胞治疗根据患者的个人需求量身定制,最大限度地发挥潜在益处,并最大限度地降低风险。

  • 全面评估:借助先进成像研究(如MRI)全面评估膝关节状况,同时考量患者具体标准,确保治疗量身定制,兼顾效益与风险。
  • 成像技术:MRI是评估关键,能提供软组织详细图像,助于判断软骨损伤程度、位置,观察软骨缺损,评估韧带、肌腱及整体关节结构,以识别合适候选人。
  • 年龄因素:虽无严格年龄上限,但年轻患者因再生能力与整体健康状况更佳,通常疗效更好,老年患者依个体情况也可能受益。
  • 病情程度:轻度至中度膝关节OA及局部软骨缺损患者是干细胞治疗的理想人选,重度OA且大面积软骨损失患者,该疗法益处可能有限,关节置换或更合适。
  • 既往治疗反应:对物理疗法、NSAID、皮质类固醇或透明质酸注射等保守治疗反应不佳的患者,可考虑干细胞疗法。

02干细胞治疗骨关节炎的采集方式

干细胞来源及采集方式:

  • 骨髓:含有大量间充质干细胞(MSC),通过骨髓抽吸获取。通常在局部麻醉下,将针头插入骨髓腔(常为骨盆骨的髂嵴)抽取少量骨髓。该过程在门诊进行,由成像引导,耐受性好,不适感小。抽取的骨髓含细胞混合物,经实验室处理分离、浓缩干细胞。
  • 脂肪组织:也是MSCs的可行来源,通过抽脂术获取。在局部麻醉下,用小套管从腹部或大腿等部位提取脂肪组织,过程相对较快,恢复时间短。收获的脂肪经处理分离出MSCs。

两种来源干细胞的特性与效果:

  • 骨髓间充质干细胞:在治疗骨关节炎(OA)和软骨缺损方面的再生潜力获广泛研究与临床试验验证,可有效促进软骨修复、减少OA关节炎症。
  • 脂肪来源的间充质干细胞:与骨髓来源的MSCs有相似再生能力,临床试验证明其用于膝关节OA患者时,在改善关节功能和减轻疼痛方面具有安全性和有效性。

采集方式选择依据:获取方法的选择取决于患者偏好、所需干细胞数量及特定临床考虑等因素。

03干细胞治疗骨关节炎的细胞制备步骤

干细胞制备涉及从收获的骨髓或脂肪组织中精心分离和浓缩MSC。这些过程对于获得可有效促进膝关节OA患者软骨修复和再生的强效干细胞产品至关重要。

质量控制措施(包括活力评估、纯度检查和特性描述)可确保干细胞制备符合临床使用的安全性和有效性标准。从骨髓或脂肪组织收获干细胞后,下一个关键步骤是在实验室中处理以分离和浓缩干细胞。

1、制备关键步骤:

  • 分离干细胞:从收获的骨髓或脂肪组织中分离干细胞,将其与其他细胞成分(如红细胞、脂肪细胞、碎片等)分开。骨髓抽吸物常用离心和密度梯度分离技术处理;脂肪组织则通过酶消化,随后离心或过滤来分离干细胞。 
  • 浓缩干细胞:去除多余液体和非干细胞成分,提高干细胞效力,确保治疗所需细胞数量,得到浓缩的MSCs悬浮液。

2、质量控制措施:

  • 活力评估:通过活力测试评估活细胞与死细胞百分比,保证多数分离细胞具有活性,能执行再生功能。
  • 纯度检查:筛选细菌、真菌、内毒素及其他病原体等污染物,进行无菌测试,确保干细胞制剂无微生物污染。 
  • 特性描述:利用流式细胞术分析表面标记,确认分离细胞表达特征性MSC阳性标记(如CD73、CD90和CD105),同时缺乏造血或内皮细胞等阴性标记(如CD34、CD45等),以此准确识别和表征MSC。

04干细胞注射治疗骨关节炎后的护理和监测

注射后护理和监测是膝关节软骨干细胞治疗不可或缺的组成部分,旨在增强治疗效果并确保患者安全和满意度。康复方案是针对每位患者量身定制的,以促进关节愈合和功能改善。定期随访使临床医生能够监测患者的进展,通过临床评估和影像学研究评估治疗效果,并根据需要调整治疗策略。有效的症状管理策略有助于干细胞治疗膝关节OA 和改善患者生活质量的整体成功。

1、康复方案的重要性与内容    

  • 康复方案的重要性:干细胞注射到膝关节后,康复对优化愈合过程、最大化关节功能至关重要。   
  • 内容:康复通常由运动、物理治疗方式(如超声波、电刺激)以及依据患者特定需求和软骨损伤程度定制的功能训练组合而成,旨在恢复活动范围、强化关节周围肌肉、提升稳定性与整体功能能力。 

2、随访监测

  • 评估方式:通过定期随访监测进展,医疗保健提供者评估干细胞疗法有效性,临床医生在随访时评估症状变化、关节功能及患者生活质量改善情况。
  • 影像学检查:定期进行MRI或X射线照相,观察软骨结构变化,评估组织再生程度。 

3、症状管理

  • 短期症状:患者注射部位可能出现暂时不适或轻微肿胀,通常几天内消退,必要时可开具NSAID或止痛药控制疼痛和炎症。
  • 长期策略:长期症状管理包括生活方式改变(如控制体重、体力活动)、关节保护技术及持续服用处方药。

05干细胞治疗骨关节炎的潜在结果

干细胞疗法为OA患者带来了良好的治疗效果,包括显著缓解疼痛、刺激软骨再生,以及潜在的长期益处,例如推迟或避免膝关节置换手术。临床证据支持干细胞疗法在改善关节功能和生活质量方面的有效性,凸显了其作为治疗膝关节OA的宝贵治疗选择的作用。

干细胞疗法修复膝关节软骨的主要目标之一是缓解与OA相关的疼痛。干细胞具有抗炎特性,可释放促进组织修复和减少关节炎症的生长因子。

研究报告称,干细胞治疗后疼痛评分显著改善,对止痛药的依赖减少。干细胞可分化为软骨细胞并刺激受损软骨的再生。MSC分泌生物活性分子,促进附近细胞(包括软骨细胞)的增殖和分化,从而修复软骨。

研究表明,干细胞疗法后,MRI上的软骨体积和结构得到改善,表明软骨再生的潜力。通过减轻疼痛和促进软骨修复,干细胞疗法可能会延迟或预防某些患者的膝关节置换手术。

纵向研究表明,接受干细胞疗法治疗的患者的膝关节功能得到持续改善,并可能避免或延迟侵入性手术干预。

06干细胞治疗骨关节炎的注意事项和风险

干细胞疗法可为治疗OA相关症状提供潜在益处,包括缓解疼痛和修复软骨。

1、治疗效果差异:干细胞疗法对OA相关症状有潜在益处,但在膝关节软骨修复中的有效性因人而异。年龄、OA严重程度、整体健康状况及干细胞制剂特征等因素会影响治疗结果,患者反应不同,部分患者改善显著,部分患者获益温和或短暂。

2、安全性考量:膝关节软骨治疗常用自体干细胞,降低免疫排斥或不良反应风险。采集和注射程序安全性较高,感染或组织损伤等并发症风险极小。

3、成本与可用性挑战:

费用差异大:治疗费用因地理位置、医疗机构、具体方案及治疗程度不同而有很大差别。 

可用性受限:干细胞治疗的可用性和保险覆盖范围存在差异,可能限制部分患者获取治疗的机会。

07干细胞注射治疗膝关节软骨损伤的未来方向

正在进行的研究旨在改进干细胞分离、处理和输送技术,以提高膝关节软骨损伤治疗的疗效和结果一致性。研究人员目前正在研究优化干细胞活力、分化能力和在关节环境中的保留的新方法,以促进长期软骨再生。

此外,干细胞疗法面临着有关安全性、功效标准和道德考虑的不断变化的监管挑战。世界各地的监管机构正在制定和修订指导方针,以管理干细胞疗法的临床应用,确保患者安全和治疗效果。

干细胞注射治疗膝关节软骨损伤代表了骨科护理的一个有希望的前沿,具有潜在的好处,例如减轻疼痛和炎症、促进软骨修复和再生,以及避免膝关节手术等更具侵入性的治疗(图5,表2)。

图5:关节内注射干细胞再生膝关节软骨作为膝关节骨关节炎治疗选择的总结。
图5:关节内注射干细胞再生膝关节软骨作为膝关节骨关节炎治疗选择的总结。

总结关节内注射干细胞作为膝关节骨性关节炎的治疗方案

目标评估干细胞注射膝关节软骨和缓解骨关节炎症状的潜力
使用的干细胞类型  间充质干细胞 (MSCs)
脂肪干细胞 (ADSCs)
骨髓干细胞 (BMSCs)
注射部位  关节内(直接进入膝关节)
作用机制  促进软骨修复
调节炎症反应
刺激内源性软骨再生
好处减轻疼痛
改善关节功能
增强软骨修复
挑战  治疗结果的多变性
不良反应的风险(如感染、炎症)
成本高且可用性有限
现有证据  临床试验结果好坏参半
一些研究结果令人鼓舞
需要进一步研究以确定长期疗效和安全性
相较于传统治疗的潜在优势  与外科手术相比,创伤性更小
有可能改善病情
未来方向  干细胞制备和管理的标准化
长期随访研究
联合疗法和优化方案的探索

表2

主要参考资料:Lee HJ, Hossain R, Baek CH, Lee CJ, Hwang SC. Intra-Articular Injection of Stem Cells for the Regeneration of Knee Joint Cartilage: a Therapeutic Option for Knee Osteoarthritis – a Narrative Review. Biomolecules & Therapeutics. 2025 Jan;33(1):86-94. DOI: 10.4062/biomolther.2024.139. PMID: 39632656; PMCID: PMC11704397.

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