概述：本文綜述了近年來間充質(zhì)干細胞在治療骨關(guān)節(jié)炎中的作用研究，深入探討其優(yōu)勢并探索潛在的發(fā)展方向，旨在為該關(guān)鍵領(lǐng)域的未來研究提供新的見解。

骨關(guān)節(jié)炎（OA）是一種慢性退行性關(guān)節(jié)疾病，常見于老年人、絕經(jīng)后婦女、運動員以及患有糖尿病和高脂血癥等代謝性疾病的人。其臨床表現(xiàn)包括疼痛、關(guān)節(jié)僵硬、腫脹、畸形、捻發(fā)音和活動受限。OA不僅嚴重影響患者的生活質(zhì)量，而且是導(dǎo)致老年人殘疾的主要原因。隨著全球人口老齡化趨勢，OA正成為全球健康的重大威脅。

目前治療骨關(guān)節(jié)炎的方法包括物理治療、藥物干預(yù)和外科手術(shù)。藥物干預(yù)主要旨在抗炎和鎮(zhèn)痛作用，缺乏修復(fù)或逆轉(zhuǎn)骨關(guān)節(jié)炎相關(guān)關(guān)節(jié)損傷的能力。近年來，白細胞介素1（IL-1）受體拮抗劑、阿達木單抗（TNF抗體）等生物制劑逐漸納入OA治療；然而，多項臨床試驗未能證明顯著改善。此外，支持物理療法治療OA療效的證據(jù)仍無定論。全關(guān)節(jié)置換術(shù)和關(guān)節(jié)置換術(shù)等手術(shù)干預(yù)對于晚期OA患者來說是可行的選擇，可以緩解疼痛并改善關(guān)節(jié)功能。然而，人工植入物的有限壽命和可變的長期結(jié)果，加上潛在的并發(fā)癥，強調(diào)了骨關(guān)節(jié)炎患者關(guān)節(jié)損傷修復(fù)的明確治療方式的缺乏。

令人鼓舞的是，最近的研究揭示了干細胞在治療骨關(guān)節(jié)炎中的潛在作用。間充質(zhì)干細胞（MSC）具有自我更新能力，來源于中胚層胚層，可以從骨髓、脂肪組織、滑膜、臍帶、牙髓、羊水、真皮和外周血中采集。間充質(zhì)干細胞表現(xiàn)出向成骨和軟骨形成譜系的多譜系分化潛力，并分泌免疫調(diào)節(jié)因子、細胞因子、生長因子、細胞外囊泡（EV）和其他生物活性物質(zhì)，從而有助于組織穩(wěn)態(tài)和再生，并發(fā)揮免疫調(diào)節(jié)功能。

目前，大量臨床前和臨床研究支持OA動物模型和患者接受基于MSC的干預(yù)后，臨床癥狀得到顯著改善，受損軟骨得到修復(fù)。在本文中，我們討論了干細胞治療骨關(guān)節(jié)炎的最新進展，闡明了干細胞治療作為治療骨關(guān)節(jié)炎的新方法的現(xiàn)狀。

骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)病機制

OA的發(fā)病與軟骨代謝失衡、軟骨下骨硬化和滑膜炎癥密切相關(guān)，涉及巨噬細胞、T細胞、軟骨細胞、破骨細胞和成纖維細胞等多種細胞類型。衰老、創(chuàng)傷、肥胖、生物力學(xué)、晝夜節(jié)律改變等因素可導(dǎo)致軟骨細胞肥大或凋亡、代謝紊亂、細胞衰老、軟骨穩(wěn)態(tài)破壞，從而促進OA的發(fā)生。

在OA的早期階段，軟骨細胞中的線粒體功能障礙導(dǎo)致活性氧 (ROS) 過量產(chǎn)生，從而誘發(fā)氧化損傷。該過程通過激活磷脂酰肌醇-3-激酶 (PI3K)/蛋白激酶 B (Akt)和Caspase途徑觸發(fā)軟骨細胞凋亡。軟骨細胞的代謝紊亂，例如葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白（GLUT1）的過度表達，導(dǎo)致葡萄糖攝取增加和晚期糖基化終產(chǎn)物的過量產(chǎn)生，最終導(dǎo)致軟骨退化。脂質(zhì)代謝和膽固醇調(diào)節(jié)的異常也導(dǎo)致OA的發(fā)病機制。

各種炎癥和趨化因子，包括粒細胞-巨噬細胞集落刺激因子（GM-CSF）、IL-1、IL-6、IL-7 和 IL-8、單核細胞趨化蛋白-1（MCP-1）、MCP-2、MMP1、MMP3、MMP10 和 MMP13，可破壞干細胞或祖細胞誘導(dǎo)的組織再生，引起鄰近細胞衰老，促進OA進展，并導(dǎo)致疼痛和活動障礙等癥狀。

炎癥細胞的招募和激活是OA發(fā)病和發(fā)展的關(guān)鍵因素。單核細胞/巨噬細胞系細胞分化成破骨細胞后聚集在軟骨下板，引起軟骨下骨和關(guān)節(jié)軟骨的灶性變性，導(dǎo)致軟骨損傷。在76%的OA患者膝關(guān)節(jié)中，活化巨噬細胞聚集，其數(shù)量與OA的嚴重程度和關(guān)節(jié)癥狀（如疼痛、關(guān)節(jié)間隙變窄和骨質(zhì)增生形成）相關(guān)。此外，巨噬細胞還能產(chǎn)生神經(jīng)生長因子（NGF），導(dǎo)致OA疼痛。巨噬細胞分泌B細胞活化因子（BAFF），促進促炎細胞反應(yīng)（Th1 和 Th17），抑制抗炎細胞反應(yīng)（Th2）。OA晚期的滑膜纖維化是導(dǎo)致關(guān)節(jié)僵硬、滑膜增生和功能受限的關(guān)鍵因素。

間充質(zhì)干細胞治療骨關(guān)節(jié)炎的機制

間充質(zhì)干細胞是源自中胚層的具有自我更新能力的多能干細胞。它們表達表面標志物，包括CD73、CD90 和CD105，但缺乏造血分化標志物的表達，例如CD11b、CD14、CD34、CD45、CD19、CD79a或HLA-DR。

間充質(zhì)干細胞在治療自身免疫性疾病和組織/器官修復(fù)方面已表現(xiàn)出顯著的功效。在骨關(guān)節(jié)炎治療中，間充質(zhì)干細胞在幾個方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用（圖1）。

圖1：不同來源的間充質(zhì)干細胞（MSC）——包括衍生物、預(yù)處理的間充質(zhì)干細胞和轉(zhuǎn)基因間充質(zhì)干細胞，以及與間充質(zhì)干細胞結(jié)合的生物材料——有助于軟骨再生、抗炎反應(yīng)、免疫調(diào)節(jié)和鎮(zhèn)痛作用。這些多功能應(yīng)用使 MSC 成為骨關(guān)節(jié)炎 (OA) 的潛在治療劑，為減緩 OA 的進展提供了前景。

軟骨再生

間充質(zhì)干細胞具有促進軟骨形成和修復(fù)的能力。間充質(zhì)干細胞可以通過分化成軟骨細胞或刺激現(xiàn)有軟骨細胞中軟骨形成激素的上調(diào)來實現(xiàn)這一目標。在OA的背景下，間充質(zhì)干細胞可以從軟骨下骨遷移到受損區(qū)域，分化為軟骨細胞和成骨細胞，以修復(fù)軟骨和軟骨下骨組織。

抗炎和免疫調(diào)節(jié)作用

OA致病機制的一個重要方面涉及促炎細胞因子和抗炎細胞因子之間的相對拮抗作用。IL-1β和TNF-α等促炎細胞因子可以獨立或與其他細胞因子協(xié)同驅(qū)動炎癥反應(yīng)。在炎癥刺激下，受損的滑膜細胞或其他細胞釋放IL-1β、IL-6、IL-8、TNF-α和具有血小板反應(yīng)蛋白結(jié)構(gòu)域的MMP以及具有血小板反應(yīng)蛋白基序的解整合素和金屬蛋白酶（ADAMTS）。

間充質(zhì)干細胞具有特定的免疫調(diào)節(jié)特性，產(chǎn)生免疫調(diào)節(jié)物質(zhì)，下調(diào)免疫炎癥過程并促進組織再生，減輕關(guān)節(jié)炎炎癥。在OA治療中，MSC通過抑制成熟樹突狀細胞的發(fā)育、抑制IL-2誘導(dǎo)的自然殺傷（NK）細胞增殖以及降低NK細胞的細胞毒性來抑制先天免疫反應(yīng)。MSCs抑制細胞凋亡，減緩T細胞和B細胞的發(fā)育，并調(diào)節(jié)適應(yīng)性免疫。間充質(zhì)干細胞促進巨噬細胞/小膠質(zhì)細胞從炎癥（M1）表型向抗炎（M2）表型的轉(zhuǎn)變。此外，MSC通過分泌TGF-β和IL-6抑制NK細胞的炎癥反應(yīng)。

間充質(zhì)干細胞的鎮(zhèn)痛作用

疼痛是骨關(guān)節(jié)炎的主要表現(xiàn)，顯著影響患者的功能和生活質(zhì)量。近年來，研究人員發(fā)現(xiàn)間充質(zhì)干細胞治療骨關(guān)節(jié)炎不僅能促進軟骨恢復(fù)，還能顯著減輕疼痛、改善功能。環(huán)氧合酶2/前列腺素 E2 (PGE2)通路與 OA 中BM-MSC的鎮(zhèn)痛機制有關(guān)。

王等人還發(fā)現(xiàn)源自經(jīng)TGF-β1修飾的MSC的外泌體通過抑制血管生成、抑制軟骨細胞鈣化和破骨細胞活性，減輕OA中的軟骨損傷和疼痛。

楊教授團隊報告了臍帶間充質(zhì)干細胞治療44例嚴重膝骨關(guān)節(jié)炎（KOA）的臨床研究結(jié)果。研究顯示，視覺模擬量表（VAS）評分、美國膝關(guān)節(jié)協(xié)會評分（AKS）關(guān)節(jié)評分、AKS功能評分在治療后3、6、12個月均顯著降低，表明臍帶間充質(zhì)干細胞移植治療嚴重骨關(guān)節(jié)炎可以與透明質(zhì)酸鈉相比，能更迅速、顯著、持久地緩解關(guān)節(jié)疼痛，改善關(guān)節(jié)功能。

在一項I/IIa期試驗中，晚期KOA患者接受了單次關(guān)節(jié)內(nèi)注射1、10或5萬個BM-MSC。與基線相比，患者的疼痛、癥狀、生活質(zhì)量以及西安大略和麥克馬斯特大學(xué)關(guān)節(jié)炎指數(shù) (WOMAC) 總體評分顯著改善。森特諾等人。通過24周的隨訪磁共振成像（MRI）監(jiān)測觀察發(fā)現(xiàn)，自體骨髓間充質(zhì)干細胞移植可以刺激軟骨生長并減輕退行性關(guān)節(jié)疼痛。

不同來源的間充質(zhì)干細胞治療骨關(guān)節(jié)炎中的應(yīng)用

不同來源的間充質(zhì)干細胞表現(xiàn)出不同的特點，具有獨特的優(yōu)勢。骨髓和脂肪組織是治療性MSC的主要來源。其中，UC-MSCs含量最高，來源于臍帶和羊膜的MSCs表現(xiàn)出更強的增殖能力。此外，來自臍帶、羊膜和脂肪組織的MSC比BM-MSC表現(xiàn)出更高的免疫調(diào)節(jié)能力，其中胎盤MSC的免疫調(diào)節(jié)強度最低，但能夠分泌更多的細胞生長因子。

骨髓間充質(zhì)干細胞治療骨關(guān)節(jié)炎

BM-MSCs是最廣泛使用的治療性MSCs來源，具有易于獲取、細胞增殖快速、分化能力維持能力強以及免疫排斥風(fēng)險最小等優(yōu)點。

Lamo-Espinosa JM團隊進行的一項臨床試驗中，招募了55名接受部分半月板切除術(shù)的患者，治療組同時使用了低劑量和高劑量的同種異體BM-MSC。2年隨訪顯示沒有臨床不良反應(yīng)，并且根據(jù)VAS和WOMAC評分，觀察到疼痛顯著減輕。分析使用自體BM-MSC的兩項關(guān)鍵試驗的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)細胞應(yīng)用后1年獲得的 WOMAC反應(yīng)持續(xù)2年和4年，為MSC治療OA的長期療效提供了證據(jù)。

脂肪源性間充質(zhì)干細胞 (AD-MSC)

AD-MSCs通常來源于脂肪組織，具有來源豐富、易于采集、創(chuàng)傷小、并發(fā)癥發(fā)生率低、增殖潛力高等特點。AD-MSCs分泌抗炎因子，如IL-10和IL-1，抑制炎癥或促進CD4+FOXP3+T輔助細胞的表達。它們可以抑制滑膜巨噬細胞活化，減少炎癥因子的分泌，并抑制炎癥反應(yīng)。在免疫系統(tǒng)中發(fā)揮調(diào)節(jié)作用。

在一項旨在評估脛骨內(nèi)側(cè)開放楔形高位截骨術(shù) (MOWHTO) 關(guān)節(jié)內(nèi)注射AD-MSC后軟骨缺損再生、功能改善和安全性的隨機對照試驗中，26名患者被分為ADMSC注射組（n=13）和對照組（n=13）。主要結(jié)果是通過定期MRI評估軟骨缺陷的持續(xù)變化。連續(xù)MRI顯示AD-MSC組的軟骨再生明顯優(yōu)于對照組。在任何病例中都沒有發(fā)生與治療相關(guān)的不良事件、嚴重不良事件或術(shù)后并發(fā)癥，這表明關(guān)節(jié)內(nèi)注射AD-MSCs可能是MOWHTO后疾病改善的一種有前途的治療方法。

間充質(zhì)干細胞

UC-MSCs具有細胞年輕、產(chǎn)量大、增殖特性高、多向分化潛力、免疫原性低等優(yōu)點。UC-MSCs可以下調(diào)軟骨降解酶的表達，抑制軟骨降解，刺激受損軟骨細胞增殖，防止軟骨退化。它們還抑制促炎細胞因子，如 TNF-α、IL-1β、TNF-α刺激蛋白6和IL-1受體，從而減少炎癥并保護關(guān)節(jié)軟骨。

JuY等人的研究。證明UC-MSCs的增殖能力高于AD-MSCs，并且兩種類型的細胞均顯著減少ACLT手術(shù)誘導(dǎo)的OA的發(fā)展。在2020年對雙側(cè)KOA患者進行的I期試點研究中，關(guān)節(jié)內(nèi)注射UC-MSC導(dǎo)致VAS、SF-36和WOMAC評分改善。

用于治療骨關(guān)節(jié)炎的間充質(zhì)干細胞衍生物

越來越多的研究發(fā)現(xiàn)，旁分泌信號傳導(dǎo)是干細胞發(fā)揮作用的關(guān)鍵機制。間充質(zhì)干細胞可以分泌多種生長因子和營養(yǎng)物質(zhì)，促進自身分化為軟骨細胞，刺激常駐軟骨細胞的增殖和生長，并分泌抗炎和免疫調(diào)節(jié)因子來調(diào)節(jié)受損的組織微環(huán)境，促進組織再生。

MSC的旁分泌作用是由細胞外囊泡（EV）的分泌介導(dǎo)的。EV包含細胞釋放的各種膜結(jié)合囊泡結(jié)構(gòu)。根據(jù)其大小和生物發(fā)生，EV可分為三種亞型：外泌體、微泡和凋亡小體。外泌體是一種亞型，其特征是哺乳動物中各種活性細胞自發(fā)產(chǎn)生和分泌的納米級（40-100nm）囊泡。

與MSC相比，EV保留了相似的生物學(xué)特性，但具有生物相容性、低免疫原性、長期穩(wěn)定性和易于儲存等優(yōu)勢。源自BM-MSC的EV可以通過抑制NF-κB通路緩解關(guān)節(jié)炎癥。來自AD-MSC的那些可以通過抑制PI3K/Akt/mTOR通路來保護軟骨并減輕炎癥。研究發(fā)現(xiàn)外泌體miR-92a-3p可以促進軟骨細胞的增殖和分化，減少軟骨退化，并激活MMPs，從而改善OA。

外泌體miRNA可以介導(dǎo)細胞間通訊和基因調(diào)控，包括軟骨形成和退化的調(diào)控，使其成為治療OA的無細胞 MSC療法的理想替代品。除了具有再生軟骨的能力外，EV還可以通過增加軟骨細胞標志物的表達并同時抑制退化相關(guān)基因（包括ADAMTS-5和MMP-13）的表達來延長IL-1β誘導(dǎo)的退變軟骨細胞的存活。這有助于上調(diào)Col2并重新合成細胞外基質(zhì) (ECM)、保護軟骨、防止軟骨細胞肥大并避免軟骨細胞去分化。

MSC-ECM也是一種非細胞成分，含有MSC分泌的各種大分子。在去除 DNA 等引發(fā)免疫反應(yīng)的細胞成分后，ECM保留了天然的生化和生物物理信號。普拉塔斯等人。發(fā)現(xiàn) AD-MSC 的條件培養(yǎng)基可以下調(diào) OA 軟骨細胞中IL-1β的產(chǎn)生。

另一種值得注意的細胞療法是骨髓抽吸濃縮物（BMAC）。該療法因其成分而引人注目，其中包括多種細胞成分，例如血小板、單核細胞和間充質(zhì)干細胞。在臨床上，BMAC越來越多地被用作肌肉骨骼病理狀況的再生療法，盡管其基于證據(jù)的支持仍然有限。多項臨床試驗表明，BMAC療法可有效減少OARSI間歇性和持續(xù)性關(guān)節(jié)疼痛以及雙側(cè)膝關(guān)節(jié)VAS疼痛評分。此外，在短期隨訪期間，KOA患者的疼痛和患者報告的結(jié)果有所改善。

間充質(zhì)干細胞新技術(shù)的應(yīng)用

預(yù)處理

間充質(zhì)干細胞表現(xiàn)出對環(huán)境的動態(tài)適應(yīng)性，根據(jù)不同的條件調(diào)整其調(diào)節(jié)功能。為了增強 MSC 的體外和體內(nèi)功能，基本策略包括預(yù)處理、基因修飾和優(yōu)化MSC培養(yǎng)條件。這些程序的實施有望顯著提高組織工程和再生醫(yī)學(xué)中間充質(zhì)干細胞移植的功效。

接受低氧預(yù)處理的間充質(zhì)干細胞可以分泌更多的生物活性因子，包括血管內(nèi)皮生長因子（VEGF）、肝細胞生長因子（HGF）、胰島素樣生長因子-1（IGF-1）和堿性成纖維細胞生長因子（bFGF） ，導(dǎo)致血管生成和成骨誘導(dǎo)增強。

基因工程

利用基因編輯技術(shù)敲除或沉默抑制干細胞成骨或軟骨分化的基因以及轉(zhuǎn)染有利于成骨或軟骨分化的基因已成為干細胞再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的一種新穎的研究方法。用重組pIRES2-EG-FP-hBMP-2質(zhì)粒轉(zhuǎn)染誘導(dǎo)的人UC-MSC顯示hBMP-2基因的穩(wěn)定轉(zhuǎn)錄，表明干細胞成功分化為軟骨細胞組織。在高血糖條件下，NLRP3的敲除對 AD-MSC 的旁分泌功能具有保護作用。這種保護是通過激活抗凋亡和抗ROS沉積機制來實現(xiàn)的。

間充質(zhì)干細胞移植和新技術(shù)

間充質(zhì)干細胞與生物材料的結(jié)合在治療骨關(guān)節(jié)炎方面已顯示出顯著的療效。其關(guān)鍵特征在于生物材料與間充質(zhì)干細胞之間的相互作用，引導(dǎo)間充質(zhì)干細胞分化為特定的細胞譜系。它們在OA模型中的聯(lián)合應(yīng)用已被證明可以促進透明樣軟骨再生，為MSC的多樣化臨床應(yīng)用開辟新途徑。

生物材料具有精確的形狀和微觀結(jié)構(gòu)、性能穩(wěn)定、無毒、具有良好的生物相容性。當與MSC一起植入軟骨缺陷區(qū)域時，這些生物材料會降解，有助于MSC的軟骨分化并促進新軟骨的形成。

結(jié)論

間充質(zhì)干細胞自進入科學(xué)視野以來就受到了廣泛的研究，其在各種疾病中的作用也被廣泛探討。臨床實驗證實了間充質(zhì)干細胞對治療OA的積極作用。

此外，在使用間充質(zhì)干細胞后或短期隨訪期間，幾乎沒有出現(xiàn)不良反應(yīng)。雖然大多數(shù)研究都支持間充質(zhì)干細胞療法在治療骨關(guān)節(jié)炎方面的積極作用，但一項第3期隨機試驗顯示，在降低疼痛評分和改善MRI評分方面，BM-間充質(zhì)干細胞與皮質(zhì)類固醇相比沒有明顯優(yōu)勢。

雖然基礎(chǔ)和臨床研究前沿的進步還需要大量努力，但改進后的細胞療法有望成為更安全、更經(jīng)濟、更有效的OA治療方法。間充質(zhì)干細胞的預(yù)處理、基因工程的改進以及與生物材料的結(jié)合，進一步擴大了基于間充質(zhì)干細胞的治療方法的優(yōu)勢，為治療骨關(guān)節(jié)炎以及潛在的其他疾病提供了更多的途徑。

未來，我們期待間充質(zhì)干細胞在骨關(guān)節(jié)炎及其他領(lǐng)域得到更廣泛的認可和應(yīng)用。

參考資料：Chen Y, Cheng RJ, Wu Y, Huang D, Li Y, Liu Y. Advances in Stem Cell-Based Therapies in the Treatment of Osteoarthritis. Int J Mol Sci. 2023 Dec 28;25(1):394. doi: 10.3390/ijms25010394. PMCID: PMC10779279.

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