概述：本文綜述了近年來間充質(zhì)干細(xì)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(yán)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(xì)胞介素1（IL-1）受體拮抗劑、阿達(dá)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(qiáng)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(xì)胞在治療骨關(guān)節(jié)炎中的潛在作用。間充質(zhì)干細(xì)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(xì)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(xì)胞因子、生長因子、細(xì)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(xì)胞治療骨關(guān)節(jié)炎的最新進(jìn)展，闡明了干細(xì)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(jī)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(xì)胞、T細(xì)胞、軟骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞和成纖維細(xì)胞等多種細(xì)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(xì)胞肥大或凋亡、代謝紊亂、細(xì)胞衰老、軟骨穩(wěn)態(tài)破壞，從而促進(jìn)OA的發(fā)生。

在OA的早期階段，軟骨細(xì)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(xì)胞凋亡。軟骨細(xì)胞的代謝紊亂，例如葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白（GLUT1）的過度表達(dá)，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(jī)制。

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

炎癥細(xì)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(xì)胞/巨噬細(xì)胞系細(xì)胞分化成破骨細(xì)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(xì)胞聚集，其數(shù)量與OA的嚴(yán)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(xì)胞還能產(chǎn)生神經(jīng)生長因子（NGF），導(dǎo)致OA疼痛。巨噬細(xì)胞分泌B細(xì)胞活化因子（BAFF），促進(jìn)促炎細(xì)胞反應(yīng)（Th1 和 Th17），抑制抗炎細(xì)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(xì)胞治療骨關(guān)節(jié)炎的機(jī)制

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

間充質(zhì)干細(xì)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(xì)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(xì)胞（MSC）——包括衍生物、預(yù)處理的間充質(zhì)干細(xì)胞和轉(zhuǎn)基因間充質(zhì)干細(xì)胞，以及與間充質(zhì)干細(xì)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(jìn)展提供了前景。

軟骨再生

間充質(zhì)干細(xì)胞具有促進(jìn)軟骨形成和修復(fù)的能力。間充質(zhì)干細(xì)胞可以通過分化成軟骨細(xì)胞或刺激現(xiàn)有軟骨細(xì)胞中軟骨形成激素的上調(diào)來實現(xiàn)這一目標(biāo)。在OA的背景下，間充質(zhì)干細(xì)胞可以從軟骨下骨遷移到受損區(qū)域，分化為軟骨細(xì)胞和成骨細(xì)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(jī)制的一個重要方面涉及促炎細(xì)胞因子和抗炎細(xì)胞因子之間的相對拮抗作用。IL-1β和TNF-α等促炎細(xì)胞因子可以獨立或與其他細(xì)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(xì)胞或其他細(xì)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(xì)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(jìn)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(xì)胞的發(fā)育、抑制IL-2誘導(dǎo)的自然殺傷（NK）細(xì)胞增殖以及降低NK細(xì)胞的細(xì)胞毒性來抑制先天免疫反應(yīng)。MSCs抑制細(xì)胞凋亡，減緩T細(xì)胞和B細(xì)胞的發(fā)育，并調(diào)節(jié)適應(yīng)性免疫。間充質(zhì)干細(xì)胞促進(jìn)巨噬細(xì)胞/小膠質(zhì)細(xì)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(xì)胞的炎癥反應(yīng)。

間充質(zhì)干細(xì)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(xì)胞治療骨關(guān)節(jié)炎不僅能促進(jìn)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(jī)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(xì)胞鈣化和破骨細(xì)胞活性，減輕OA中的軟骨損傷和疼痛。

楊教授團(tuán)隊報告了臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞治療44例嚴(yán)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(xì)胞移植治療嚴(yán)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(xì)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(xì)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(xì)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(qiáng)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(qiáng)度最低，但能夠分泌更多的細(xì)胞生長因子。

骨髓間充質(zhì)干細(xì)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(xì)胞增殖快速、分化能力維持能力強(qiáng)以及免疫排斥風(fēng)險最小等優(yōu)點。

Lamo-Espinosa JM團(tuán)隊進(jìn)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(xì)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(xì)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(jìn)CD4+FOXP3+T輔助細(xì)胞的表達(dá)。它們可以抑制滑膜巨噬細(xì)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(jī)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(yán)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(xì)胞

UC-MSCs具有細(xì)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(dá)，抑制軟骨降解，刺激受損軟骨細(xì)胞增殖，防止軟骨退化。它們還抑制促炎細(xì)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(hù)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(xì)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(jìn)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(xì)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(xì)胞發(fā)揮作用的關(guān)鍵機(jī)制。間充質(zhì)干細(xì)胞可以分泌多種生長因子和營養(yǎng)物質(zhì)，促進(jìn)自身分化為軟骨細(xì)胞，刺激常駐軟骨細(xì)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(jìn)組織再生。

MSC的旁分泌作用是由細(xì)胞外囊泡（EV）的分泌介導(dǎo)的。EV包含細(xì)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(xì)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(hù)軟骨并減輕炎癥。研究發(fā)現(xiàn)外泌體miR-92a-3p可以促進(jìn)軟骨細(xì)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(xì)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(xì)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(xì)胞標(biāo)志物的表達(dá)并同時抑制退化相關(guān)基因（包括ADAMTS-5和MMP-13）的表達(dá)來延長IL-1β誘導(dǎo)的退變軟骨細(xì)胞的存活。這有助于上調(diào)Col2并重新合成細(xì)胞外基質(zhì) (ECM)、保護(hù)軟骨、防止軟骨細(xì)胞肥大并避免軟骨細(xì)胞去分化。

MSC-ECM也是一種非細(xì)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(xì)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(xì)胞中IL-1β的產(chǎn)生。

另一種值得注意的細(xì)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(xì)胞成分，例如血小板、單核細(xì)胞和間充質(zhì)干細(xì)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(xì)胞新技術(shù)的應(yīng)用

預(yù)處理

間充質(zhì)干細(xì)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(qiáng) 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(xì)胞移植的功效。

接受低氧預(yù)處理的間充質(zhì)干細(xì)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(xì)胞生長因子（HGF）、胰島素樣生長因子-1（IGF-1）和堿性成纖維細(xì)胞生長因子（bFGF） ，導(dǎo)致血管生成和成骨誘導(dǎo)增強(qiáng)。

基因工程

利用基因編輯技術(shù)敲除或沉默抑制干細(xì)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(xì)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(xì)胞成功分化為軟骨細(xì)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(hù)作用。這種保護(hù)是通過激活抗凋亡和抗ROS沉積機(jī)制來實現(xiàn)的。

間充質(zhì)干細(xì)胞移植和新技術(shù)

間充質(zhì)干細(xì)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(xì)胞之間的相互作用，引導(dǎo)間充質(zhì)干細(xì)胞分化為特定的細(xì)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(jìn)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(dāng)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(jìn)新軟骨的形成。

結(jié)論

間充質(zhì)干細(xì)胞自進(jìn)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(xì)胞對治療OA的積極作用。

此外，在使用間充質(zhì)干細(xì)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(xì)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(jī)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(xì)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(jìn)步還需要大量努力，但改進(jìn)后的細(xì)胞療法有望成為更安全、更經(jīng)濟(jì)、更有效的OA治療方法。間充質(zhì)干細(xì)胞的預(yù)處理、基因工程的改進(jìn)以及與生物材料的結(jié)合，進(jìn)一步擴(kuò)大了基于間充質(zhì)干細(xì)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(xì)胞在骨關(guān)節(jié)炎及其他領(lǐng)域得到更廣泛的認(rèn)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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