間充質乾細胞：激素性股骨頭壞死早期治療的新希望

來源：中國矯形外科雜誌

作者：上海交通大學附屬第六人民醫院骨科 梁川

股骨頭壞死（ON?FH）是股骨頭的血供發生中斷或受損，進而引起骨細胞及骨髓成分相繼死亡並同時進行修復，最終導致股骨頭結構改變、股骨頭塌陷、關節功能障礙的一種疾病。ONFH的誘因除了創傷外，還包括激素應用、酗酒、凝血功能障礙、鐮刀狀紅細胞貧血及其他血紅蛋白病、炎症及自身免疫疾病、器官移植、Gauchers病以及妊娠等非創傷性因素，其中以激素性ON?FH最為多見。

目前ONFH的最終治療手段是實施全髖關節置換術（THA），但是置換的人工髖關節的有效期往往有限，並且由於近年來ONFH的發病年齡逐漸提前，所以人們越來越關注ONFH的早期治療，以期推遲施行THA的時間，甚至能夠逆轉並治癒早期ONFH，從而避免施行THA。目前常用的早期治療方法主要有髓芯減壓、帶血管蒂的髂骨瓣移植、經股骨粗隆旋轉截骨等。這些方法可以在一定程度上緩解疾病的進展與患者的癥狀，但是仍不能達到逆轉並治癒早期ONFH的目的，因此人們將目光轉向具有良好的多向分化潛能和增殖能力的骨髓間充質乾細胞（BMSCs）。而關於應用BMSCs治療早期激素性ONFH的研究目前正在如火如荼地進行中，並且取得了一些較為滿意的結果。

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激素性股骨頭壞死的病理生理機制

非創傷性ONFH的發病機制較創傷性ONFH為複雜，目前存在著諸多學說，如脂肪栓塞學說、骨細胞脂肪變性壞死學說、骨內高壓及靜脈淤滯學說、骨質疏鬆學說、微血管損傷學說、血管內凝血學說及激素的細胞毒性學說等。而其主要的病理生理改變包括血液高凝狀態、微循環血流動力學改變、脂肪代謝紊亂及脂肪栓塞形成、微血管損傷及血栓形成、骨內壓升高等。相關學者猜測激素性ONFH的發生主要是由於攝入大劑量激素後股骨頭內血流速度減慢、血壓降低，導致脂肪栓子容易沉積，易造成微血管脂肪栓塞；而過量的激素還會對血管平滑肌產生毒性作用，破壞血管壁的正常穩定結構，甚至引起血管破裂出血，加之血流緩慢、高凝狀態以及脂肪代謝紊亂，在受損血管處就啟動了血栓形成機制，血管栓塞後將引起骨組織血供不足，同時在大劑量激素的影響下，骨髓乾細胞成骨不足，無法及時修復，最終造成骨壞死。

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激素性股骨頭壞死的診斷與早期治療

激素性股骨頭壞死的診斷與分期 激素性ONFH在早期無特異性臨床癥狀，部分患者可訴有髖部疼痛，並向患側膝、臀部放射。體格檢查時可發現患側髖關節活動受限，內旋時可引起疼痛。目前常用的診斷標準主要依據影像學檢查，即X線片上出現股骨頭塌陷及前外側壞死或新月征，或者MRI的T2加權像上出現雙線征，或者活組織檢查陽性。而臨床上ONFH分期標準繁多，比較常用的是賓夕法尼亞大學Steinberg分期系統（表1）。這種分期系統是Steinberg對早期的Ficat-Arlet分期系統進行了改良，將ONFH分為0-Ⅵ期，並對每一期病變所累及的股骨頭區域進行了定量，分為輕度（累及股骨頭關節面＜15%）、中度（累及股骨頭關節面15%~30%）和重度（累及股骨頭關節面＞30%）。臨床上通常將股骨頭塌陷之前的階段（即Steinberg分期中的0-Ⅲ期）稱為早期，在此之後稱為晚期。

骨髓間充質乾細胞治療早期激素性股骨頭壞死 目前針對早期ONFH主要採取保留股骨頭的手術治療，包括髓芯減壓術、植骨、截骨術等。但髓芯減壓術在壞死骨區域重建中的作用仍然不甚明確。而吻合血管的遊離腓骨移植具有供區損傷大、手術時間長、康復時間長以及近端股骨骨折風險高的缺點。截骨術最早於1972年被應用於ONFH的治療，雖然療效尚可，但這種方法隻適用於壞死範圍小於股骨頭直徑1/3的ONFH。而且在此後的實踐中人們發現這種手術隻對年齡＜45歲，Ker?boull角＜200°，以及不再使用激素的患者有較好療效。

隨著人們對乾細胞了解的深入，各種乾細胞已經應用到許多疾病的治療當中，ONFH亦是如此。用於治療ONFH的乾細胞目前主要集中在脂肪乾細胞、骨骼肌乾細胞及骨髓間充質乾細胞（BMSCs）。而BMSCs因其獨特潛能使其成為治療早期ONFH的新希望。

骨髓間充質乾細胞的增殖能力及多向分化潛能：骨髓間充質乾細胞來源於胚胎髮育期的中胚層，存在於骨髓組織中，具有良好的增殖能力，即使經過多次傳代，依然可以保留其染色體核型和端粒酶活性，充分體現了其乾細胞特性。此外，BMSCs還具有良好的多向分化潛能，在特定條件下可誘導分化為成骨細胞、成軟骨細胞、脂肪細胞、平滑肌細胞、星形膠質細胞、神經細胞、肝細胞、血管內皮細胞以及心肌細胞等全部三個胚層的細胞。良好的增殖能力及分化潛能成為BMSCs治療早期ONFH的基礎。

骨髓間充質乾細胞治療早期ONFH的研究進展：在2002年，Hernigou和Beaujean首次嘗試了在髓芯減壓術的基礎上聯合BMSCs壞死區注射治療早期ONFH。他們對116例患者的189髖（其中診斷為早期145髖，晚期44髖）進行了標準的髓芯減壓術並通過減壓孔道向壞死區注射BMSCs，經過5~10年的隨訪，最終早期ONFH的145髖中僅有9髖需要進行THA，而晚期ONFH的44髖中有25髖需要THA。通過這次試驗，他們認為BMSCs可以成為一個早期ONFH乾預的良好選擇，早期應用BMSCs可以有效避免THA的施行。

在Hernigou和Beaujean之後，Gangji等也進行了關於自體骨髓單個核細胞治療早期ONFH的研究，他們將13例早期ONFH患者（共18髖）隨機分為單純髓芯減壓組和髓芯減壓聯合自體骨髓移植組。在給予治療的2年後，他們發現聯合骨髓移植組的患者疼痛明顯改善，Lequesne指數和WOMAC指數也有明顯下降，並且10髖中僅有1髖發生疾病進展，而對照組8髖中有5髖進展到晚期，同時，通過生存分析發現骨髓移植組發生股骨頭塌陷的時間明顯晚於對照組。這使得他們得出了自體骨髓單個核細胞是治療早期ONFH的安全有效的手段。但是，由於這個試驗樣本量較小，隨訪時間較短，其結論很難令人信服。所以Gangji等又在此基礎上進行了另一個臨床試驗。他們這次將19例早期ONFH患者（共24髖）同樣地隨機分為單純髓芯減壓組和髓芯減壓聯合自體骨髓移植組，在經過5年的隨訪後，他們發現骨髓移植組在疼痛、關節癥狀、疾病進展上均優於單純髓芯減壓組，因此他們得出了與之前相同的結論。儘管這個試驗延長了隨訪時間，但樣本量方面依然較小，缺乏說服力。

與此同時，我國學者張巨集軍等也進行了類似的臨床研究，他們觀察了32例（共39髖）早期ONFH患者（其中14髖為激素性ONFH），分為自體骨髓乾細胞治療組（18例，24髖）和對照組（14例，15髖）。隨訪18個月後發現，治療組在髖關節Harris評分、疾病進展情況及壞死面積改善等方面均明顯優於對照組，故也認為髓芯減壓聯合自體骨髓乾細胞移植是一種治療早期ONFH安全、有效的方法，但仍需大樣本臨床試驗及長期隨訪來進一步驗證。

Sen等進行了一個較大樣本量的臨床試驗來驗證髓芯減壓術聯合自體骨髓乾細胞移植對早期ONFH的療效，在這個臨床試驗中有40例患者（共51髖）參與，其中創傷性ON?FH17髖，非創傷性ONFH34髖（其中激素性ON?FH20髖），分為單純髓芯減壓組（25髖）和髓芯減壓後自體骨髓單個核細胞移植組（26髖），在接受治療後的12和24個月時分別進行兩組的髖關節Harris評分和髖關節Kaplan-Meier生存分析，結果顯示聯合乾細胞治療組明顯優於單純髓芯減壓組。類似的臨床試驗在世界各地進行著，如Tabatabaee等最近也通過涉及28髖早期ONFH的試驗證明了髓芯減壓術聯合BMSCs治療早期ONFH的有效性。

對於這些樣本量較小的臨床試驗，Li等則進行了Meta分析來比較單純髓芯減壓與髓芯減壓聯合BMSCs移植在臨床療效上的差異。他們共彙集分析了4個臨床試驗（219髖），通過對其中2個獨立的臨床試驗（共115髖，髓芯減壓組63髖，BMSCs組52髖）分析發現：比起髓芯減壓組，BMSCs組發展為需要血管化骨移植治療階段的例數更少（OR=0.11；95%CI：0.03~0.43；P<0.01）；而通過對另外2個獨立的臨床試驗（共104髖，髓芯減壓組52髖，BMSCs組52髖）分析發現：BMSCs組在隨訪中的髖關節Harris評分顯著優於髓芯減壓組（WMD=8.69；95%CI：3.76~13.62；P<0.01）。

所以Li等認為比起單純的髓芯減壓術治療，聯合BMSCs移植可以顯著提高療效。隨著組織工程與再生醫學的概念在外科領域的不斷深入，而BMSCs作為優秀的種子細胞也在組織工程研究中扮演著重要的角色。早在2006年，Kawate等就利用組織工程的原理對3例激素性ONFH患者進行了自體BMSCs移植聯合帶血管蒂的遊離腓骨移植治療，平均隨訪34個月後，影像學檢查發現無明顯塌陷發生，並且壞死區出現了明顯的骨再生。此後，各種人工合成材料相繼問世，新材料與BMSCs聯合治療早期ONFH的研究層出不窮，如穆曉紅等利用納米材料支架與BMSCs構建納米骨治療兔ONFH，在植入後的第12周可明顯觀察到填充區的骨小梁生長，並且由於納米骨具有良好的生物相容性和生物可降解性，使得其在臨床應用中具有一定的發展前景。這些研究結果提示我們利用BMSCs實現ONFH壞死區的再生重建是有可能的。

在發現BMSCs有助於治療早期的ONFH後，人們開始嘗試改造BMSCs以提高治療效果。在2008年，Wen等嘗試了用肝細胞生長因子（HGF）基因轉染的BMSCs治療兔早期激素性ONFH，通過治療後的影像學及組織學檢查發現壞死骨組織中有明顯的血管再生與骨重建，而Hang等研究了VEGF165基因轉染的BMSCs在狗ONFH治療中的應用，通過觀察發現VEGF165基因轉染的BMSCs治療組比起另兩組（未轉基因的BM?SCs治療組和單純髓芯減壓組）能夠明顯促進新生血管的形成，有助於壞死骨重建。

骨髓間充質乾細胞在早期激素性ONFH治療中的特異性角色：雖然激素性ONFH的具體發病機制仍然未明，但是根據已知的病理生理變化可推測BM?SCs在其治療中的可行性。通過補充股骨頭壞死區域BMSCs的數量，在壞死骨吸收的同時促進新生骨的產生，促進壞死區重建；與此同時如果通過體外基因修飾，增強自體BMSCs分化成骨能力，甚至可以促進內皮祖細胞形成新生毛細血管，改善股骨頭壞死區域微循環，減輕骨組織的缺血缺氧狀態，便可達到延緩疾病進展的目的。

Hernigou和Beaujean在研究中發現注射的BMSCs的濃度過低以及ONFH的潛在病因，如器官移植、酗酒、大量激素運用等可能會增加疾病進展的風險。這說明激素可能會影響BMSCs治療早期ONFH的療效。而目前已知的非創傷性ONFH的病例中大多數是激素性ONFH。並且Houdek等也通過研究證實了取自激素性ONFH患者髂脊的BMSCs的細胞活力及成骨分化能力下降，相對地成脂分化能力增加。表明激素性ONFH患者股骨頭壞死區域的BMSCs數量減少和成骨能力下降是其疾病進展的主要原因之一，也從另一方面提示了補充外源性BMSCs治療早期ONFH是可行的。而且在目前的許多關於乾細胞治療早期ONFH的臨床及動物實驗中，由於其樣本中包含大量激素性ONFH病例，一定程度上也可以證明BMSCs對早期激素性ONFH的治療是同樣有效的。

總之，BMSCs由於其良好的增殖能力及分化成骨能力，使其成為激素性ONFH生物治療的首選。應用BMSCs治療早期激素性ONFH可以實現壞死區的逆轉與重建，一定程度上避免了傳統的各種治療方法終將施行THA的結局。大量臨床及動物實驗都證實了其令人滿意的療效，BMSCs無疑已經成為激素性ONFH早期治療的新希望。而今後人們對BMSCs治療早期激素性ONFH的研究應該會更多的集中在BMSCs的修飾、聯合治療方法的選擇（包括組織工程新材料的研發）以及治療安全性的觀察。相信隨著人們在這個領域的研究不斷深入，有效地改善早期ONFH患者癥狀，延緩疾病進展，甚至完全治癒早期ONFH，使患者不再需要施行THA的那一日終將到來。

博雅乾細胞綜合發布