概述：本文綜述了近年來間充質干細胞在治療骨關節炎中的作用研究，深入探討其優勢并探索潛在的發展方向，旨在為該關鍵領域的未來研究提供新的見解。

骨關節炎（OA）是一種慢性退行性關節疾病，常見于老年人、絕經后婦女、運動員以及患有糖尿病和高脂血癥等代謝性疾病的人。其臨床表現包括疼痛、關節僵硬、腫脹、畸形、捻發音和活動受限。OA不僅嚴重影響患者的生活質量，而且是導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。

目前治療骨關節炎的方法包括物理治療、藥物干預和外科手術。藥物干預主要旨在抗炎和鎮痛作用，缺乏修復或逆轉骨關節炎相關關節損傷的能力。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療效的證據仍無定論。全關節置換術和關節置換術等手術干預對于晚期OA患者來說是可行的選擇，可以緩解疼痛并改善關節功能。然而，人工植入物的有限壽命和可變的長期結果，加上潛在的并發癥，強調了骨關節炎患者關節損傷修復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節炎中的潛在作用。間充質干細胞（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。間充質干細胞表現出向成骨和軟骨形成譜系的多譜系分化潛力，并分泌免疫調節因子、細胞因子、生長因子、細胞外囊泡（EV）和其他生物活性物質，從而有助于組織穩態和再生，并發揮免疫調節功能。

干細胞治療骨關節炎的進展

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的干預后，臨床癥狀得到顯著改善，受損軟骨得到修復。在本文中，我們討論了干細胞治療骨關節炎的最新進展，闡明了干細胞治療作為治療骨關節炎的新方法的現狀。

骨關節炎的發病機制

OA的發病與軟骨代謝失衡、軟骨下骨硬化和滑膜炎癥密切相關，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、創傷、肥胖、生物力學、晝夜節律改變等因素可導致軟骨細胞肥大或凋亡、代謝紊亂、細胞衰老、軟骨穩態破壞，從而促進OA的發生。

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

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的組織再生，引起鄰近細胞衰老，促進OA進展，并導致疼痛和活動障礙等癥狀。

炎癥細胞的招募和激活是OA發病和發展的關鍵因素。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，引起軟骨下骨和關節軟骨的灶性變性，導致軟骨損傷。在76%的OA患者膝關節中，活化巨噬細胞聚集，其數量與OA的嚴重程度和關節癥狀（如疼痛、關節間隙變窄和骨質增生形成）相關。此外，巨噬細胞還能產生神經生長因子（NGF），導致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（Th1 和 Th17），抑制抗炎細胞反應（Th2）。OA晚期的滑膜纖維化是導致關節僵硬、滑膜增生和功能受限的關鍵因素。

間充質干細胞治療骨關節炎的機制

間充質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。

間充質干細胞在治療自身免疫性疾病和組織/器官修復方面已表現出顯著的功效。在骨關節炎治療中，間充質干細胞在幾個方面發揮著關鍵作用（圖1）。

圖1：不同來源的間充質干細胞（MSC）——包括衍生物、預處理的間充質干細胞和轉基因間充質干細胞，以及與間充質干細胞結合的生物材料——有助于軟骨再生、抗炎反應、免疫調節和鎮痛作用。這些多功能應用使 MSC 成為骨關節炎 (OA) 的潛在治療劑，為減緩 OA 的進展提供了前景。

軟骨再生

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

抗炎和免疫調節作用

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同驅動炎癥反應。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和具有血小板反應蛋白結構域的MMP以及具有血小板反應蛋白基序的解整合素和金屬蛋白酶（ADAMTS）。

間充質干細胞具有特定的免疫調節特性，產生免疫調節物質，下調免疫炎癥過程并促進組織再生，減輕關節炎炎癥。在OA治療中，MSC通過抑制成熟樹突狀細胞的發育、抑制IL-2誘導的自然殺傷（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。MSCs抑制細胞凋亡，減緩T細胞和B細胞的發育，并調節適應性免疫。間充質干細胞促進巨噬細胞/小膠質細胞從炎癥（M1）表型向抗炎（M2）表型的轉變。此外，MSC通過分泌TGF-β和IL-6抑制NK細胞的炎癥反應。

間充質干細胞的鎮痛作用

疼痛是骨關節炎的主要表現，顯著影響患者的功能和生活質量。近年來，研究人員發現間充質干細胞治療骨關節炎不僅能促進軟骨恢復，還能顯著減輕疼痛、改善功能。環氧合酶2/前列腺素 E2 (PGE2)通路與 OA 中BM-MSC的鎮痛機制有關。

王等人還發現源自經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干細胞治療44例嚴重膝骨關節炎（KOA）的臨床研究結果。研究顯示，視覺模擬量表（VAS）評分、美國膝關節協會評分（AKS）關節評分、AKS功能評分在治療后3、6、12個月均顯著降低，表明臍帶間充質干細胞移植治療嚴重骨關節炎可以與透明質酸鈉相比，能更迅速、顯著、持久地緩解關節疼痛，改善關節功能。

在一項I/IIa期試驗中，晚期KOA患者接受了單次關節內注射1、10或5萬個BM-MSC。與基線相比，患者的疼痛、癥狀、生活質量以及西安大略和麥克馬斯特大學關節炎指數 (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）監測觀察發現，自體骨髓間充質干細胞移植可以刺激軟骨生長并減輕退行性關節疼痛。

不同來源的間充質干細胞治療骨關節炎中的應用

不同來源的間充質干細胞表現出不同的特點，具有獨特的優勢。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表現出更高的免疫調節能力，其中胎盤MSC的免疫調節強度最低，但能夠分泌更多的細胞生長因子。

骨髓間充質干細胞治療骨關節炎

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險最小等優點。

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，并且根據VAS和WOMAC評分，觀察到疼痛顯著減輕。分析使用自體BM-MSC的兩項關鍵試驗的結果，發現細胞應用后1年獲得的 WOMAC反應持續2年和4年，為MSC治療OA的長期療效提供了證據。

脂肪源性間充質干細胞 (AD-MSC)

AD-MSCs通常來源于脂肪組織，具有來源豐富、易于采集、創傷小、并發癥發生率低、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。在免疫系統中發揮調節作用。

在一項旨在評估脛骨內側開放楔形高位截骨術 (MOWHTO) 關節內注射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）。主要結果是通過定期MRI評估軟骨缺陷的持續變化。連續MRI顯示AD-MSC組的軟骨再生明顯優于對照組。在任何病例中都沒有發生與治療相關的不良事件、嚴重不良事件或術后并發癥，這表明關節內注射AD-MSCs可能是MOWHTO后疾病改善的一種有前途的治療方法。

間充質干細胞

UC-MSCs具有細胞年輕、產量大、增殖特性高、多向分化潛力、免疫原性低等優點。UC-MSCs可以下調軟骨降解酶的表達，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節軟骨。

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手術誘導的OA的發展。在2020年對雙側KOA患者進行的I期試點研究中，關節內注射UC-MSC導致VAS、SF-36和WOMAC評分改善。

用于治療骨關節炎的間充質干細胞衍生物

越來越多的研究發現，旁分泌信號傳導是干細胞發揮作用的關鍵機制。間充質干細胞可以分泌多種生長因子和營養物質，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節因子來調節受損的組織微環境，促進組織再生。

MSC的旁分泌作用是由細胞外囊泡（EV）的分泌介導的。EV包含細胞釋放的各種膜結合囊泡結構。根據其大小和生物發生，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產生和分泌的納米級（40-100nm）囊泡。

與MSC相比，EV保留了相似的生物學特性，但具有生物相容性、低免疫原性、長期穩定性和易于儲存等優勢。源自BM-MSC的EV可以通過抑制NF-κB通路緩解關節炎癥。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。研究發現外泌體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可以介導細胞間通訊和基因調控，包括軟骨形成和退化的調控，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基因（包括ADAMTS-5和MMP-13）的表達來延長IL-1β誘導的退變軟骨細胞的存活。這有助于上調Col2并重新合成細胞外基質 (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 等引發免疫反應的細胞成分后，ECM保留了天然的生化和生物物理信號。普拉塔斯等人。發現 AD-MSC 的條件培養基可以下調 OA 軟骨細胞中IL-1β的產生。

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間歇性和持續性關節疼痛以及雙側膝關節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果有所改善。

間充質干細胞新技術的應用

預處理

間充質干細胞表現出對環境的動態適應性，根據不同的條件調整其調節功能。為了增強 MSC 的體外和體內功能，基本策略包括預處理、基因修飾和優化MSC培養條件。這些程序的實施有望顯著提高組織工程和再生醫學中間充質干細胞移植的功效。

接受低氧預處理的間充質干細胞可以分泌更多的生物活性因子，包括血管內皮生長因子（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） ，導致血管生成和成骨誘導增強。

基因工程

利用基因編輯技術敲除或沉默抑制干細胞成骨或軟骨分化的基因以及轉染有利于成骨或軟骨分化的基因已成為干細胞再生醫學領域的一種新穎的研究方法。用重組pIRES2-EG-FP-hBMP-2質粒轉染誘導的人UC-MSC顯示hBMP-2基因的穩定轉錄，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沉積機制來實現的。

間充質干細胞移植和新技術

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

生物材料具有精確的形狀和微觀結構、性能穩定、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。

結論

間充質干細胞自進入科學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干細胞對治療OA的積極作用。

此外，在使用間充質干細胞后或短期隨訪期間，幾乎沒有出現不良反應。雖然大多數研究都支持間充質干細胞療法在治療骨關節炎方面的積極作用，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-間充質干細胞與皮質類固醇相比沒有明顯優勢。

雖然基礎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、更經濟、更有效的OA治療方法。間充質干細胞的預處理、基因工程的改進以及與生物材料的結合，進一步擴大了基于間充質干細胞的治療方法的優勢，為治療骨關節炎以及潛在的其他疾病提供了更多的途徑。

未來，我們期待間充質干細胞在骨關節炎及其他領域得到更廣泛的認可和應用。

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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