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【关键词】 股骨头缺血性坏死
股骨头缺血性坏死(avascular necrosis of the femoral head，ANFH)为进展性的髋关节病变，严重影响了患者的生活质量。目前临床上多采用手术治疗，但手术创伤大、费用高，常造成治疗的障碍，因此新型、有效、微创的治疗方法是今后的趋势。骨髓间质干细胞(bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs)具有强大的自我增殖和多向分化潜能，可通过诱导向成骨方向分化，这种可在体外控制性培养并能在体内外向成骨分化的特性，为骨缺损的修复再生开辟了新途径，也给ANFH的治疗带来了新的突破。本文就BMSCs治疗ANFH的研究和应用进展作以概述。
1 骨髓间质干细胞的生物学特性
BMSCs具有干细胞的共同特性，能够自我增殖并具有多向分化潜能［1］。研究显示在体外培养中BMSCs每传代一次，细胞数增加约2.2倍，且在体外分裂38次以上仍保持干细胞多项分化潜能，BMSCs中约有20％处于静止期(G0期)，即足以维持增殖分化所需的细胞供给，且在经体外传代20～25代后，细胞形态、生长曲线、免疫表型仍无明显变化，在多代培养后仍能保持染色体核型和端粒酶活性不变［2］，具有多向分化潜能是BMSCs的另外一个特征。对细胞周期的研究显示，只有少数BMSCs正在活跃地复制(约10％处于S+G2+M期)，而大多数细胞处于G0／G1期，高比例的G0／G1期细胞暗示着BMSCs具有高度分化潜能，在特定的理化条件与细胞因子诱导下，可以分化为中胚层的成骨细胞、软骨细胞、脂肪细胞、肌细胞等，也可跨越胚层的界限，向外胚层的神经元样细胞、神经胶质细胞及内胚层的肝细胞分化。
2 骨髓间质干细胞治疗股骨头坏死的实验基础
2.1 骨髓间质干细胞的成骨诱导分化
BMSCs成骨分化潜能早在20世纪五六十年代已提出，但在当时还没有从骨髓中分离出MSCs进行体外培养以产生不同类型的细胞和组织。直到1999年，Pittenger从人的髂骨骨髓中分离得到了BMSCs，其成骨分化潜能才进一步得以证实。经研究表明BMSCs为条件成骨细胞，地塞米松、β-甘油磷酸钠和维生素C是其向成骨细胞分化和体外成骨的必要条件［3～5］。地塞米松在成骨分化早期以促进基质合成为主，后期以促进钙化为主；维生素C的作用主要是促进体外培养细胞合成胶原并调节碱性磷酸酶活性，而碱性磷酸酶是成熟成骨细胞的标志酶，也是评价机体成骨活性和组织分化能力的特异性指标，其活性的高低与成骨细胞分化呈正相关，且在体外钙化中起决定性作用；β-甘油磷酸钠可以提供骨组织在体外培养体系中发生沉淀所需的磷离子，加速结节钙化；除此之外，1，25-(OH)2维生素D3、骨形态发生蛋白(BMP)及TGF-β等也可诱导BMSCs向成骨分化［6、7］。但这些诱导剂发挥作用的机制、诱导剂间的相互作用、最佳量效比和序贯应用等问题尚未完全明确，有待进一步研究。
2.2 骨髓间质干细胞修复骨缺损
基于BMSCs体外培养可以分化为成骨细胞的实验基础，人们开始利用体外扩增的BMSCs植入体内修复骨组织的缺损。BMSCs修复骨组织缺损关键是尽可能快地将足够多的细胞输送到缺损部位，以便迅速形成相当大小的间充质胚基而实现缺损修复。直接注射细胞是一种方法，但细胞往往定位不好，容易流失，难以在骨缺损部位较长时间维持一定数量。目前使用较多的是用体外培养扩增后的BMSCs与支架材料制备成细胞-材料复合体，然后再移植到创伤缺损部位，进行组织修复，在多种动物实验中均显示出较好的效果［8、9］。Livingston等［10］将培养扩增后的BMSCs与支架材料复合用于犬骨缺损修复，8周后植入物几乎每个孔中都含相当量的新骨，而且受体骨与植入物的界面上也有大量新骨生成，形成跨缺损区的一个骨连续带，16周后骨缺损逐渐修复。Kenneth等［11］的羊骨缺损修复实验也进一步证实了这一点，且在这些实验动物体内未有抗体生成，未发生排异反应，为BMSCs同种异体移植治疗疾病奠定了实验基础。近年来国内祝联等［12］应用珊瑚及BMSCs复合物修复骨缺损，术后4个月骨缺损处充填了大量新生骨组织，色泽红润，8个月时色泽变白、质地坚硬、股骨无短缩，也充分证明了BMSCs修复骨缺损的能力。BMSCs的成骨分化潜能及修复骨缺损的能力无疑将大大推动ANFH治疗的进展。
3 骨髓间质干细胞治疗股骨头坏死的应用
3.1 骨髓间质干细胞治疗股骨头坏死的适应证
BMSCs治疗ANFH应严格掌握适应证。研究表明ANFH早期病程长，在进展至退行性髋关节病变晚期的3～5年间是可以逆转的，因此BMSCs治疗ANFH一般选择病变早期患者。早期病例指股骨头具有完好外形，根据ARCO(association research circulationy osseous，ARCO)分期，应为Ⅰ、Ⅱ期，不应有明显囊性改变的病例。
3.2 骨髓间质干细胞治疗股骨头坏死的植入方法
目前BMSCs植入方法有直接注入法和经动脉注入法2种。
3.2.1 髓芯钻孔减压并骨髓间质干细胞直接注射治疗股骨头坏死
目前有相当多的证据提示股骨头内高压在ANFH的发展中具有重要作用。骨内循环具有腔室的性质，当正常的造血组织、骨髓内的脂肪细胞、组织液等在腔内外各种因素的作用下体积增大时，髓腔内压力即随之增高，进而出现静脉血流瘀滞、微循环障碍、酸性代谢产物堆积、骨组织缺氧，发生骨细胞及骨髓细胞死亡等病理变化。基于这一病理生理过程，Ficat设计了髓芯减压术。实验证明髓芯减压可以减轻股骨头髓腔水肿并刺激减压针道周围的血管形成，增强坏死骨的爬行替代，延缓骨坏死的进展。髓芯减压虽然可以有效地延缓早期骨坏死的自然过程，但并没有彻底解决股骨头的坏死修复问题。骨内压升高的恶性循环若继续出现则会不断降低股骨头生物强度，最终导致股骨头塌陷。因此种子细胞的引入就显得尤为重要。Hernigou等［13］在髓芯减压术后，插入1个小套管针，先注入少量造影剂，再注入BMSCs悬液，Gangji等［14、15］在髓芯减压术后经环钻注入BMSCs悬液，并在注射前常规做细菌和真菌培养以便进行质量控制。Yan等［16］在髓芯减压的基础上，也经减压通道置入一根硬膜外导管，将自体BMSCs注入，各项研究均表明此方法能在改善骨内高压、骨微循环障碍等病理状态的同时，提供修复股骨头的种子细胞，为新骨生成、死骨替代创造良好的环境。本疗法采用微创切口、且不破坏关节囊不会损害股骨头残余血供、也不妨碍其他治疗手段的实施，因此在应用上有较大的优势。但此方法也存在一些问题，如：手术多采用髂前上棘取骨髓，术后有造成取骨髓区疼痛的可能；减压区骨皮质外有出血形成血肿的可能，血肿形成后有可能导致伤口延迟愈合，并易于发生感染；在BMSCs的注射过程中也有泄漏的可能等。
3.2.2 骨髓间质干细胞经动脉灌注治疗股骨头坏死
目前虽然ANFH的具体机制还不明确，但股骨头血供遭到破坏而导致骨坏死是其最终结果，故改善股骨头血供成为治疗本病的关键。自体干细胞移植血管再生技术的出现为其治疗提供了更为广阔的前景。杨晓凤等［17］采用超选择性股骨头供血动脉移植BMSCs治疗ANFH的结果显示坏死区有大量新生血管及新骨形成，且原已闭塞的动脉也重新开通，血流速度增快，局部血液循环明显改善。此疗法在治疗ANFH过程中可能有以下几方面作用：（1）疏通发生病变的股骨头内血管，改善静脉回流，降低骨内压，恢复或改善股骨头的血供；（2）改善坏死区周围及髋部各组织的血液循环，为坏死区提供良好血供的局部环境；（3）保护局部血管内皮，促进血管内皮细胞修复、再生及血管增生。此方法安全有效、简单易行，但也存在如下问题，如移植后的BMSCs在缺血组织内增殖分化的潜能及影响因素，新生血管再狭窄的预防以及骨缺损修复的时间等均有待于进一步研究。
此外，骨组织工程学的兴起为BMSCs治疗ANFH提供了新思路。骨组织工程学是应用生命科学和工程学的原理与技术，研究生物替代物，修复重建人体组织器官的结构，维持或改善组织器官功能的一门新兴学科。组织工程的三要素为支架材料、种子细胞和信号因子。骨组织工程为ANFH的干细胞治疗提供了有力的支持：（1）为生长因子提供了良好的载体，利用转基因技术使BMSCs在成骨因子的作用下更有效的向目标组织分化；（2）支架的使用保证了在坏死局部有较高浓度的BMSCs；（3）支架三维结构的建立，使其在植入坏死区后有利于新生毛细血管、血管周围组织和骨祖母细胞的长入。
3.3 骨髓间质干细胞治疗股骨头坏死的疗效
目前，BMSCs移植治疗ANFH的研究大多处于基础实验阶段，尚未广泛应用于临床。就已有的临床研究结果显示BMSCs移植治疗早期ANFH，对缓解疼痛、改善关节功能、阻止病变进展有较好的作用。Hernigou等［13］应用BMSCs移植治疗ANFH患者，并对早期和晚期患者的疗效进行了比较，结果显示BMSCs移植对早期ANFH的疗效较好，统计分析结果还显示移植的细胞数量越多，疗效越好。Gangji等［14、15］比较了髓芯减压加BMSCs移植与单纯髓芯减压治疗早期(ARCOⅠ～Ⅱ期)ANFH的疗效，随访24个月，结果显示两组在关节疼痛VAS评分、Lequesne指数、骨坏死体积的变化、生存分析等方面均存在统计学差异，提示髓芯减压加BMSCs移植治疗早期ANFH的疗效明显优于单纯髓芯减压。Yan等［16］髓芯减压后移植BMSCs治疗ANFH，经12个月随访观察，髋关节疼痛在3周左右即有缓解，肢体功能在6个月左右开始恢复，此时髋关节Harris评分升高明显，由58.74分升至75.54分，达到良好标准，平均股骨头坏死区体积从治疗前的31.88％减小至13.18％，其中ARCO-Ⅰ、Ⅱ期病例的改善较为明显。杨晓凤［17］等经动脉移植BMSCs治疗ANFH患者63例，结果大部分患者疼痛、关节功能、X线均有不同程度改善。
4 存在的问题与展望
目前对BMSCs及其在股骨头坏死修复中的研究虽然已取得了较大进展，BMSCs在人类医学上的应用价值也已得到了肯定，但仍有许多问题有待解决，如：（1）BMSCs诱导分化的信号转导机制还不是特别的明确，多种诱导调控因素之间的相互作用也未完全阐明，还需要进一步探索；（2）在成骨的过程中，BMSCs细胞间如何作用以及其所处的微环境中各种刺激因子如何起作用，植入的BMSCs所形成的骨在组织学、生物力学上与正常的骨有多大差别，能否解决退变的问题等也尚待研究；（3）目前所有组织工程支架材料还处于研发阶段，且价格昂贵、技术不成熟，在临床上的应用有待于进一步的验证；（4）BMSCs移植治疗ANFH的疗效缺乏长期随访及大样本随机对照研究，疗效评价标准和适应证的选择缺乏统一的标准；（5）移植BMSCs的适宜细胞量仍不清楚，移植途径究竟是直接移植好还是经血管移植好还是两者联合使用更好，目前也没有研究报道。
尽管还有许多问题需要深入研究，但由于BMSCs取材容易、增殖迅速、具有多向分化潜能、无移植免疫排斥反应及不存在伦理学及法律纠纷等诸多优势，且随着细胞分子生物学、基因学的迅速发展、BMSCs研究的不断深入以及临床经验的不断积累，BMSCs与转基因技术及组织工程联合治疗ANFH将成为研究热点，并将取得重大突破，为ANFH的微创治疗开辟新的纪元。参考文献：
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作者单位：青岛大学医学院附属医院关节外科，青岛 266003