干细胞治疗膝骨关节炎的机制和临床证据
摘要
膝骨关节炎的发病率高于其他关节，并且随着年龄的增长患病率也会增加。这是一个渐进的过程，最终可能导致残疾。由于 MSC 的三系潜力、营养作用和免疫调节特性，间充质干细胞 (MSC) 有望修复受损问题。许多研究报道关节内注射 MSC 可以治疗膝骨关节炎。本综述重点讨论关节内 MSC 注射治疗膝骨关节炎的几个问题，包括注射 MSC 的剂量以及 MSC 注射后软骨再生的可能性。关节内注射 MSC 诱导透明样软骨再生，在多项研究中可以通过关节镜观察到这一情况。此外，解剖学、生物力学、衰老和其他原因引起的生化变化参与了膝骨关节炎的发展。相反，基于这些解剖学、生物力学、生物化学和功能特性及其相互作用的适当干预可能会推迟膝关节骨关节炎的进展，并促进间充质干细胞注射诱导的软骨修复。因此，讨论了注射后康复计划和相关机制。
一、简介
膝骨关节炎（OA）的发病率高于其他关节，且其患病率随着年龄增长而增加，尤其是65岁以后。膝关节骨关节炎通常被认为是“磨损”的结果。一些危险因素会加重膝关节骨关节炎的严重程度，包括膝关节损伤史、超重和肥胖、重复负重、肌肉无力、排列不良、绝经后变化和遗传倾向。
OA是一种全关节疾病，其特征是滑膜关节发炎、软骨缺失、关节骨质变化、半月板损伤以及肌腱和韧带退化。从放射学上看，骨关节炎患者表现为骨赘形成、关节间隙变窄、软骨下硬化、软骨下囊肿形成和软骨钙质沉着症。大量证据还表明髌下脂肪垫参与膝关节OA的发生。
膝关节骨关节炎是一个渐进的过程，最终可能导致残疾。该疾病的症状包括疼痛、僵硬、肿胀、膝关节活动范围减小以及关节畸形。膝关节骨关节炎的治疗包括物理治疗、非甾体抗炎药、止痛药、透明质酸和关节内皮质类固醇注射。所有这些治疗都可以缓解症状并减缓病情的进展，但无法修复受损的关节软骨。因此，最终可能需要进行全膝关节置换术。
软骨缺损的内在愈合能力有限。小缺陷可以通过透明软骨的产生自发修复。然而，大的缺损只能通过产生纤维组织或纤维软骨来修复，这在生物化学和生物力学上与正常透明软骨不同。因此，退化随后发生，并且在某些情况下可能进展为骨关节炎变化。间充质干细胞（MSCs）具有自我更新和多向分化潜能，可以调节免疫、抗炎症、促进血管生成、促进再生。间充质干细胞可以从多种组织中分离出来，如骨髓、骨骼肌组织、滑膜、牙周膜、脐带、脐带血、羊水、胎盘和脂肪组织（皮下、腹部或髌下脂肪）等。间充质干细胞的组织来源影响其效果。滑膜来源的间充质干细胞比骨髓、骨膜、骨骼肌和脂肪组织来源的间充质干细胞具有更好的软骨形成潜力。源自髌下脂肪垫的 MSC 比源自骨髓或皮下脂肪的 MSC 表现出更好的软骨形成潜力，并且髌下脂肪垫和滑膜是 60 岁以上患者软骨修复的首选 MSC 组织来源。关节内 MSC 注射的侵入性远小于膝关节置换术。由于 MSC 的三系潜力、营养作用和免疫调节特性，注射的 MSC 及其分泌有望修复受损问题。
多项研究比较了关节内注射间充质干细胞和其他物质的效果（表1、表2和表3）。
三项研究比较了盐水和 MSC 的效果；一项研究发现，骨髓抽吸浓缩液（含有 MSC 和造血干细胞）和盐水注射组的疼痛缓解效果相似，但注射的细胞主要是造血干细胞（34,400 个 MSC 对比 4,620,000 个造血干细胞）。另外两项采用自体脂肪来源的间充质干细胞或同种异体胎盘来源的间充质干细胞的研究发现，与盐水注射组相比，间充质干细胞注射组具有更好的临床症状改善和更少的软骨缺损/更好的软骨厚度改善。总体而言，MSC 注射剂量为 0.5–0.6 × 10 8和 1.0 × 10 8细胞表现出比盐水注射更好的效果，而低剂量（34,400 个 MSC）则没有效果。
透明质酸常用于治疗膝关节骨关节炎。多项研究比较了透明质酸和间充质干细胞的作用。与单独使用 MSC 或透明质酸相比，MSC 组有更好的功能改善和 MRI 鉴定的软骨质量改善。一项研究比较了三组，即基线和 6 个月时膝关节内注射透明质酸、基线和 6 个月时脐带源性 MSC 以及基线时仅脐带源性 MSC。结果显示，与透明质酸组相比，两次 MSC 注射组的疼痛水平显着降低，膝关节功能也更好[ 51]]。其他研究还发现，与透明质酸组相比，MSC 组的 MRI 识别的膝关节软骨增加量更高，而且 MSC 组的临床症状改善也比 HA 组显着更大。因此，单独注射 MSC 可能比单独注射透明质酸更好地缓解膝关节 OA 症状，并导致更好的软骨修复。
富含血小板血浆 (PRP) 越来越多地用于膝关节 OA 患者的注射治疗。许多合成代谢生长因子（例如 FGF、TGF-β1、TGF-β2 和 EGF）和抗炎细胞因子（例如 IL-1ra、sTNF-R1、sTNFRII、IL-4、IL-10、IL-13、和 IFNγ）可在 PRP 中找到。这些物质在改变膝关节骨关节炎的病理过程中发挥着不同的作用[ 54,55,56,57 ]。目前尚无研究比较单独使用 PRP 与单独使用 MSC 的效果，但有几项研究比较了 MSCs + PRP 与单独使用 PRP 对膝关节 OA 患者的效果。MSC + PRP 组比单独注射 MSC 具有更好的疼痛减轻和功能改善效果。在另一项研究中，只有 MSC + PRP 组才能减轻疼痛并改善功能。
皮质类固醇注射常用于治疗膝骨关节炎患者。一项研究发现，单独使用 MSC 和 MSC + PRP 组比皮质类固醇组具有更好的治疗效果（通过膝关节损伤和骨关节炎结果评分评估改善情况）。根据对照研究的结果，关节内注射间充质干细胞显示出比单独注射透明质酸和单独注射皮质类固醇更好的效果。间充质干细胞 + PRP 还可以为膝骨关节炎患者带来更高水平的疼痛减轻和功能改善。
表 1. 使用同种异体 MSC 的物质比较注射研究
表 2. 使用自体骨髓来源的 MSC 进行的物质比较注射研究
表 3. 使用自体脂肪来源的 MSC 进行的物质比较注射研究
三、MSC注射可以诱导软骨再生吗？
目前，注射间充质干细胞治疗膝关节骨关节炎被认为具有多种机制，包括免疫或炎症调节作用以及组织修复或再生。
关节内注射间充质干细胞是否可以诱导软骨再生是有趣且至关重要的。与自体软骨细胞植入相比，自体滑液来源的 MSC 植入可以为患有孤立的创伤性单一全层股骨髁软骨病变 > 2 cm 2 的患者带来更好的 MRI 识别“填充”；尽管如此，两组的软骨修复效果均达到非常好到优秀和良好到非常好的水平。这一发现表明植入后局部致密的间充质干细胞可以修复膝关节软骨。关节镜微骨折植入后注射 MSC（加注射透明质酸）可在 12 个月后实现 MRI 鉴定的软骨修复，这与在缺损处缝合骨膜补片下植入 MSC 的效果相当（表4），这表明注射后扩散的间充质干细胞也有修复软骨缺损的潜力。最近的一项研究发现，分离的自体脂肪来源的间充质干细胞可以分化为特定的细胞类型，并表达骨和软骨谱系特征的细胞外基质成分。使用这些 MSC 进行关节内注射，剂量为 5–10 × 10 6在 18 个月的随访期间，MRI 也证实了膝关节 OA 患者的软骨修复。
总体而言，移植后局部致密的 MSC 和关节内注射后扩散的 MSC有助于软骨修复/再生。这些影响可以通过 MRI 识别的软骨体积增加来检测，并通过关节镜直接观察。
与胫骨高位截骨术 (HTO) + PRP 相比，MSC 注射加 HTO + PRP 可以更好地减轻疼痛，并通过关节镜观察再生纤维软骨。比较膝关节内注射不同剂量（1.0 × 10 7 ; 5.0 × 10 7 ; 10 × 10 7细胞）脂肪源性间充质干细胞的效果表明，通过关节镜检查可以发现透明样关节软骨的再生。值得注意的是，MSC植入和注射可以诱导关节镜观察的再生软骨。
表 4.手术和注射的比较
四、间充质干细胞是越多越好吗？
注射后，间充质干细胞及其分泌物可能通过多种机制修复受损问题，包括软骨细胞分化、营养作用和免疫调节功能。注射更大量的间充质干细胞有望产生更好的效果。表 5和表 6列出了在膝关节 OA 患者中应用 MSC 注射的剂量比较研究。
在所有使用同种异体 MSC 的研究中，较低剂量的 MSC，无论是骨髓来源的 MSC还是脂肪来源的 MSC，始终在临床症状和/或 MRI 识别的软骨修复方面有更好的改善与高剂量组相比。
即使对于自体间充质干细胞，关节内注射后较高剂量也不一定能产生更好的治疗效果。在六项使用自体 MSC 的研究中（表 6），只有两项研究检测到高剂量组有更好的效果。其他研究的结果并不支持高剂量情况下效果更好。一项研究发现所有治疗病例的疼痛减轻和功能改善，但仅在低剂量组中观察到统计学显着性；只有高剂量组的患者疼痛加剧且功能评分下降。在一项随访期为 12 个月和 4 年的研究中，高剂量组在注射后 12 个月时效果更好，但较低剂量组在 4 年时疼痛减轻程度更高。另一项研究发现，中剂量组的 MRI 发现软骨体积增加（图 3），并且中剂量组的功能改善和 SF-36 评分在 96 周时达到最高水平，尽管中剂量组的功能改善和 SF-36 评分达到最高水平。剂量病例在某些指标上得分更高。
与自体来源相比，同种异体间充质干细胞可以来自健康供体，然后在体外扩增以达到临床相关数量。因此，由于使用同种异体 MSC 注射后的细胞和体液免疫反应，较低剂量似乎适合关节内注射治疗膝关节骨关节炎。
综上所述，即使是自体间充质干细胞，膝关节注射更多的细胞也不一定能获得更好的效果。一项使用同种异体和自体骨髓间充质干细胞治疗心脏病的研究也发现了类似的结果，该研究发现最低剂量组（20 × 10 6 ; 100 × 10 6 ; 200 × 10 6）治疗效果最佳。
表 5. 使用同种异体 MSC 的剂量比较研究
表 6. 使用自体 MSC 进行的剂量比较研究
五、注射后管理方案
注射后管理因研究而异。在将间充质干细胞注射与关节镜微骨折结合应用的研究中，为每位患者提供了个体化的术后康复方案。根据病变发生的位置和大小设计方案；例如，髌骨和滑车损伤的患者应在前几周内限制膝关节屈曲，而髁突损伤的患者应在前六周内避免负重。另一项研究介绍了一项康复计划，其中包括为期 4 个月的监督渐进式阻力训练以及特定的水上和陆地练习。通过使用拐杖和一系列运动以及股四头肌练习来避免负重，或通过鼓励全方位运动（非负重）和避免以前痛苦的活动来保持最小的负重。出于多种考虑，定制或个性化的注射后康复方案可以促进症状恢复和软骨修复。
首先，透明软骨表面之间的极低摩擦力是膝关节正常功能的基本特征，这源于完整的骨板、覆盖软骨表面的润滑素以及依赖于水合力的平衡力的几个软骨层的正常弹性。蛋白多糖和胶原纤维。膝关节的创伤或累积性微创伤可能导致一层或多层透明软骨损伤。表层完整性受损会增加透明软骨之间的摩擦。深层损伤导致软骨在加载过程中变形，这也增加了软骨表面之间的摩擦。值得注意的是，基线和 2 年内胫骨透明软骨丧失率增加 1% 与 4 年后接受膝关节置换手术的风险增加 20% 相关。注射的间充质干细胞可以在不同程度上修复表面（尤其是当透明软骨再生时）。在膝盖运动过程中避免高水平负重可以防止修复过程中对表面组织的有害影响。但在非负重运动范围内，施加在软骨表面的应力主要是沿表面摩擦方向产生的，即正常状态下表面胶原纤维的取向；这种现象将有助于新再生的胶原纤维在软骨表面形成正常排列。软骨表面之间的滑动还可以改善液体输送到埋藏的软骨组织中，从而促进营养供应。因此，需要考虑注射后膝关节在不负重的情况下的运动范围。
其次，膝关节承受的负荷依赖于透明软骨整个厚度的正常形态和粘弹性，而膝骨关节炎患者的透明软骨会受到损伤。注射 MSC 后无法立即修复此类损伤。尤其是OA患者局灶性损伤的局部修复处理需要较长的时间。膝关节的任何疼痛活动（例如负重动作）都可能对修复过程产生不利影响。值得注意的是，步行等常见的负重活动会导致高水平的压力，为 1-6 MPa，可能高达 12 MPa。然而，渗透膨胀压的估计值仅为约 0.2 MPa（在人类股骨头中，膝软骨可能具有相同的值）。胶原蛋白浓度在衰老过程中保持稳定，但蛋白多糖浓度逐渐下降，这降低了膝关节软骨的粘弹性以抵抗负荷，因为软骨中蛋白多糖吸引的水量减少，会削弱水在塑化组织中的作用。
第三，由于软骨表面与滑液隔离，透明软骨在关节负荷过程中的溶质吸收受到阻碍，这反过来又影响了长期重负荷条件下软骨的营养供应。同时，长时间不负重会导致软骨退化，因此也应该避免。被动扩散、动态关节负荷期间的机械“泵送”以及运动期间的滑动运动会引起间质液压力的变化，从而驱动营养物质和氧气的交换。特别是，软骨上的动态负载驱动溶质转运和基质蛋白合成并因此可以调节软骨细胞的功能。软骨细胞是膝关节骨关节炎发展的潜在启动者之一。其合成代谢和分解代谢活动可能被不适当地激活。异常增殖和凋亡导致细胞数量的变化。软骨细胞暴露于各种刺激，包括非生理负荷、被破坏的基质产生的副产物以及异常水平的细胞因子和生长因子。所有这些功能在注射间充质干细胞后都不能迅速改变，软骨细胞需要更好的环境来发挥其功能，例如自我更新分化、自分泌和旁分泌反应。
第四，小腿肌肉对保护膝关节起着重要作用。例如，发现髋关节外展肌无力与膝关节OA 患者的功能不良有关。髋部外展肌力受损会导致负重活动期间运动力学和关节负荷异常。相反，髋关节外展肌力量训练可能对保护膝关节功能发挥有益作用。肢体肌肉和肌腱还可以提供“减震”机制，减轻膝关节负载的机械能，这表明适当的力量训练可能会有所帮助。
最后，注射的 MSC 进入膝关节 OA 患者通常缺氧、富含炎症介质且可能 pH 值较低的环境，这不仅不利于 MSC 的存活，而且也不利于发挥其功能。软骨基质的结构变化影响软骨细胞。软骨基质的成分还与细胞表面受体相互作用，发送调节软骨细胞功能的信号。多种信号通路激活各种转录因子，这些转录因子易位到软骨细胞核中并调节许多炎症介质和基质降解酶的表达。因此，由于软骨基质-软骨细胞的相互作用及其对各种原因的敏感性，应仔细考虑和选择影响局部环境的身体活动和其他因素。例如，热量限制不仅可以降低体重以减轻关节负荷，还可以诱导适当的自噬以恢复干细胞的再生能力。除冷或热外，很少在注射后程序中引入治疗方式，而超声、短波透热疗法、经皮神经电刺激和干扰电流对膝关节骨关节炎患者有益。它们在调节 MSC 中的作用尚不清楚，但它们对减轻疼痛和改善症状的作用表明它们有可能改变膝关节的局部病理状态。
总体而言，可以考虑在注射间充质干细胞后的早期阶段对受影响的膝关节进行非负重或最小负重。还可以向患者指导由负重策略、运动范围、力量练习和其他疗法组成的定制方案。
六、结论
关节内注射间充质干细胞可以改善膝关节骨关节炎患者的功能并减轻疼痛。使用不同来源的间充质干细胞进行治疗对组织再生具有积极影响。
膝关节OA的病理状态影响MSC注射的效果。OA膝关节的局灶性软骨损伤更可能对MSC植入而不是MSC注射产生反应，尽管软骨中的大损伤尺寸（>5.7 cm 2 ）仍然是MSC植入治疗的挑战。年轻患者和患有早期软骨退变的膝骨关节炎患者在关节内注射间充质干细胞后更有可能获得良好的效果。
对于同一来源的MSC，关节内注射较低剂量的同种异体MSC总是比较高剂量有更好的改善效果，而较高剂量的自体MSC注射不一定会比较低剂量的治疗效果更好。这些结果表明，需要针对每个 MSC 来源确定膝关节 OA 患者关节内注射的适当 MSC 剂量。
与纤维软骨相比，健康的透明软骨在关节运动时具有超低的摩擦力，这对于实现正常的膝关节功能起着基础性的作用。注射MSC后，可以通过关节镜观察到再生的透明样软骨或纤维软骨。与更严重的患者相比，早期膝关节 OA 患者和没有大灶性病变的患者更有可能对关节内 MSC 注射反应良好。此外，MSC注射与其他药物如透明质酸或PRP相结合比单独注射 MSC 具有更好的治疗效果，这意味着药物鸡尾酒疗法对于膝关节 OA 患者注射 MSC 可能具有价值；可以进一步研究应用药物的类型和注射时间。个性化的注射后康复计划，包括关节负荷方案、肌肉/肌腱功能和治疗方式也可能改变受影响膝关节的病理状态，为局部组织-间充质干细胞和软骨-基质相互作用提供更好的环境。特别是，负重的大小可能在恢复透明软骨表层的解剖和功能特性方面发挥重要作用。
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