骨髓间充质干细胞治疗椎间盘退行性病变的研究进展

袁超群 综述 张海龙 审校

椎间盘退行性病变具有高发病率和高致残率[1]，由于髓核组织损坏、变性具有不可逆性，脊柱融合手术为治疗的“金标准”，但手术难以恢复椎间盘的结构与功能。组织工程是永久性修复椎间盘的新策略。BMSCs是当前研究的焦点。本文就BMSCs治疗椎间盘退行性病变的研究进展进行综述。

1 椎间盘的病理生理学

椎间盘位于相邻椎体之间，由髓核、纤维环和软骨终板三部分构成。髓核细胞为类软骨样细胞，纤维环细胞形态细长，似成纤维细胞[2]。髓核细胞基质富含蛋白聚糖、Ⅱ型胶原，而纤维环细胞基质含丰富的Ⅰ型胶原、少量的蛋白聚糖和Ⅱ型胶原。从髓核中央向外，Ⅱ型胶原逐渐减少，而Ⅰ型胶原逐渐增多。

椎间盘退行性病变的病因尚不明确，可能跟负载过大、生物力学改变、基因、营养障碍、细胞变异等有关。椎间盘退行性病变最初发生于细胞水平，这为细胞治疗及椎间盘再生提供了一定的证据。实验证明，细胞凋亡[3]和细胞衰老[4]是导致椎间盘功能细胞数量减少，以及力学结构发生改变的主要原因。体外研究证明，退变的椎间盘中，白介素-1（IL-1）含量显著增高，而白介素-1拮抗剂（IL-1Ra）含量并无改变，IL-1可以产生大量的蛋白水解酶，包括：基质金属蛋白酶（MMPs）和ADAMTS（由解聚素、基质金属蛋白酶和血栓粘合素组成），可以进一步破坏椎间盘组织[5]。Blumenthal等[6]发现，在椎间盘中过度表达IL-1Ra可抑制蛋白水解酶活性，减缓椎间盘退行性病变，证实了IL-1Ra治疗椎间盘退行性病变的可能。

2 传统治疗椎间盘退变的策略

大多数患者可通过休息或保守治疗缓解症状[7]。常见的保守治疗包括：药物治疗、物理治疗、运动治疗、针灸、按摩等。另外，可选择局部注射皮质醇封闭治疗，但无确切疗效[8]。

保守治疗失败后，手术是唯一的选择。脊柱融合术是目前应用最广泛的，但疗效存在争议。瑞典一项为期2年的随访研究表明，行脊柱融合术后的生活质量优于保守治疗[9]；但英国的一项最新研究证明两者无明显差异[10]。脊柱融合术存在多种并发症，甚至可能导致临近节段椎间盘加速退行性改变[11]。近年来，人工椎间盘置换术应用于临床，术后短期随访，患者疼痛缓解显著[12-13]，但术后人工椎间盘移位等并发症发生率较高[14]。

以上治疗方式均无法修复椎间盘组织。组织工程技术为修复椎间盘、治疗椎间盘退行性改变提供了可能。

3 骨髓间充质干细胞治疗

3.1 BMSCs的细胞生物学研究及治疗椎间盘退变的可能

目前，干细胞移植治疗椎间盘退行性病变中，研究最多的是BMSCs和ADSCs。BMSCs是骨髓内造血干细胞以外的非造血干细胞，具有多向分化能力，可分化为成骨细胞、软骨细胞、脂肪细胞、成纤维细胞、血管内皮细胞、神经细胞等[15]。BMSCs具有免疫原性低、自我复制能力强、取材方便及分离培养较为简单等优点，是较为理想的种子细胞。此外，BMSCs可稳定表达 CD44、CD71、CD105、CD120A、CD124 和 CD166等表面抗原，分泌白细胞介素、白血病抑制因子和粒细胞巨噬细胞集落刺激因子等细胞因子。

Sobajima等[16]将异体BMSCs植入兔退变的腰椎间盘内，24周后椎间盘组织切片证实，植入的BMSCs存活并转移至纤维环内，认为BMSCs可以用于椎间盘退行性疾病的治疗。Richardson等[17]将BMSCs和温敏型壳聚糖-甘油磷酸酯凝胶体外复合培养，4周后将BMSCs的标记基因与髓核细胞和关节软骨细胞的标记基因对比发现，BMSCs的表型与对照组的表型很相似，且BMSCs分泌的蛋白多糖和胶原的量更接近于髓核细胞。Orozco等[18]将BMSCs植入10位下腰痛患者髓核内，随访1年，患者腰痛明显改善，但椎间盘高度无明显恢复。因此，BMSCs治疗椎间盘退行性疾病具有可行性。

3.2 支架材料的选择

支架材料是治疗椎间盘退行性病变的重要组成部分。支架作为载体，用以模拟细胞外基质环境，提供适当的生物力学环境和生物化学信号，促进种子细胞分化并维持表型，有助于移植细胞的黏附、增生、基因表达，并能辅助合成新的、有功能的组织。

支架分为天然生物材料支架和人工合成材料支架，常用的包括：凝胶、壳聚糖、藻酸盐、胶原、透明质酸、磷酸钙、脱钙骨基质等。凝胶具有温度敏感性，常温下呈液体状，体内时（37℃）自行凝结成胶状，利于细胞在支架内分布，也便于注射移植。另外，凝胶可以模拟髓核组织的胶状环境，代替细胞外基质的功能，为BMSCs的分化起到支持和保护的作用。体外研究证明，在海藻酸盐支架上BMSCs可以向髓核样细胞分化[19]，但是海藻酸盐支架缺乏机械稳定性，不能应用于体内移植。Richardson等[21]发现，BMSCs与壳聚糖-甘油磷酸水凝胶体外复合培养，不需要添加额外诱导物质，RT-PCR检测发现Sox-9和聚集蛋白聚糖基因表达水平与髓核细胞相似，ALP检测证实骨髓间充质干细胞不向骨细胞方面分化，且这类支架降解缓慢，具有很好的机械稳定性[20]。Sakai等[21]将BMSCs与热敏水凝胶注射入家兔体内，观察24周发现，实验组椎体高度增高91%。Bertolo等[22]将BMSCs分别植入胶原（牛、猪）、凝胶和壳聚糖等三种基质中，5周后发现，胶原组BMSCs相对表达更多的Mrna、胶原-Ⅰ、胶原-Ⅱ以及蛋白聚糖，胶原组和凝胶组细胞成活率较高，胶原组（猪）BMSCs分泌的Ⅱ型胶原与蛋白聚糖的比率更类似于髓核样细胞，但髓核细胞相关基因（角蛋白19、PAX1和FOXF1）表达较低。脊索细胞可分泌大量粘多糖、SOX-9、胶原-Ⅱ，Purmessur等[23]将BMSCs在富含脊索细胞的原生组织中培养21 d，发现BMSCs能很好地向髓核样细胞分化。See等[24]的研究证明，BMSCs在丝类支架上培养4周后，可以很好地黏附于支架上，细胞数量无明显减少，且细胞外基质中胶原-Ⅰ显著减少，胶原-Ⅱ显著增多，为椎间盘纤维环修复提供了可能。

椎间盘处于低氧、高乳酸、分解代谢旺盛的特殊内环境中[25]，理想的支架应能够提供分子信号，诱导BMSCs表型的表达及向髓核样细胞转化，并兼顾机械负荷因素。

3.3 细胞因子的作用

细胞因子通过内分泌、旁分泌、自分泌系统发挥功能，调节椎间盘细胞的代谢活动。BMSCs向髓核样细胞分化过程中需要TGF-β、IGF-1和BMP等的参与。

Thompson等[26]首次报道，在体外培养的髓核细胞内添加TGF-β，可促进椎间盘细胞分泌蛋白多糖。Gruber等[27]在体外培养的椎间盘髓核细胞内添加IGF-1和血小板源性生长因子后可阻止细胞凋亡。WaSh等[28]通过实验动物大鼠尾椎退变间盘模型发现，MMPs主要作用于内层纤维环细胞，并可使其向髓核细胞方向分化。研究证明，SOX-9超表达时可促进BMSCs在PLLA支架上的分化、增殖[25]。Robert等[29]对46例腰椎疾病患者分别按退变性椎间盘疾病、椎间盘纤维环破损、脊椎滑脱和腰椎间盘突出进行分类后取材，应用免疫组化方法检测基质金属蛋白的含量，发现在椎间盘突出病例中基质金属蛋白酶含量最高，提示MMPs可能是椎间盘退变进程的生物调节因子，参与了髓核细胞外基质的降解。Illien-Jünger等[30]的研究表明，椎间盘的退变环境也可以诱导细胞因子释放，促进BMSCs增生以及蛋白聚糖的分泌。

4 问题与展望

应用组织工程方法治疗椎间盘退行性病变，尚属早起研究，还存在很多问题。椎间盘是人体最大的无血管器官，局部营养供应受限，组织含氧量低，局部机械压力大，移植细胞的存活问题较为突出[31]。研究证明，BMSCs可诱导分化为髓核样细胞，但髓核细胞与关节软骨细胞存在相同的特异基因，如：MMP-2、葡萄糖转运因子-1和低氧诱导因子[32]，导致鉴别困难。Hee等[33]的实验证明，在家兔模型中植入BMSCs可以刺激椎间盘组织再生，但不能恢复稳定的椎间盘微环境，难以达到预期效果。Vadala等[34]将BMSCs注入家兔椎间盘退变模型中，9周后行影像学检查，发现椎间盘无明显再生，而椎体前外侧缘出现明显骨质增生；组织学研究显示，骨赘表面富含软骨细胞，来源于注射渗漏的BMSCs。另外，BMSCs的提取、细胞移植方法、移植细胞数量及适应证等，都是需要积极探索的。

通过组织工程技术，结合干细胞、细胞因子及复合支架植入病变椎间盘，修复病变椎间盘，恢复腰椎间隙是研究的目的。随着对椎间盘的退变机制及干细胞生物学认识的不断深入，以及新型支架材料、培养条件、细胞移植技术的研发，BMSCs从生理功能上修复退变椎间盘、治疗退变性椎间盘疾病将具有广阔的应用前景。

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