膝关节骨性关节炎（KOA）是导致中老年人膝关节疼痛和残疾的主要原因。KOA是一种复杂的疾病，受多种致病因素控制，其中包括一般体质因素如年龄、性别、肥胖、家族史等以及膝关节局部不利的机械因素如创伤、运动损伤及日常劳损。该病患病率与遗传因素有关，目前保守治疗作用有限，且膝关节置换术会伴有诸多并发症。间充质干细胞（MSCs）最初在骨髓中被发现，继而在外周血、脐带血、骨骼肌、心脏和脂肪组织也可提取，具有较高的可塑性和多能性。MSCs的发现为治疗KOA提供了一种新的方法，由于其具有强大的软骨修复及再生功能，近年来研究者对MSCs治疗KOA的疗效、安全性及作用机制进行了大量试验研究。旨在对上述研究进行系统综述。
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骨关节炎（osteoarthritis，OA）是世界上发病率最高的疾病之一，最终将导致患者软骨变性、慢性关节疼痛以及残疾[1]。预计至2020年将成为第四大致残因素，严重影响患者的生活质量[2]。膝关节骨性关节炎（knee osteoarthritis，KOA）是临床上最常见的慢性骨关节炎[3]，由于膝关节软骨无血供，营养来源于4周关节液的滋养，损坏后很难新生，导致目前临床中缺乏有效的治疗措施来修复软骨破损[4]。保守治疗方法（包括中医理疗、服用消炎药、关节注射等）虽可用于减轻疼痛和改善关节功能[5]，但若保守治疗疗效不佳，膝关节置换术是唯一可行的治疗方案[6]。全膝关节置换术（total knee replacement，TKA）目前仍存在许多并发症[7]，多达20%的患者在TKA后会复发膝关节疼痛和其他问题[8]，且高达2%的患者出现重大并发症，如死亡、肺栓塞和严重感染[9]。在此情况下，研发高效、经济的保膝治疗方法对KOA患者意义重大。干细胞疗法提供了一种修复软骨技术。间充质干细胞（mesenchymal stem cell，MSCs）作为一种多功能的间质细胞能分化为多种细胞类型，包括成骨细胞、软骨细胞、肌细胞和骨髓脂肪组织等[10]，且还具有取材容易、组织相容性好及表型稳定等优点[11]，最重要的是，它们可分泌生长因子和趋化因子来增加血管生成和细胞增殖[12]。这些特性与优点使MSCs成为一种良好的KOA损坏软骨修复剂[13]。
MSCs可从脂肪、骨髓、髌下脂肪垫和脐血等提取得到。MSCs最初来源于骨髓，且至今仍为最常用的来源，其被称为骨髓基质干细胞[14]。Till和McCulloch[15]于20世纪60年代首次揭示了骨髓细胞的克隆性质[15]。2006年，我国首先从胎盘和脐带中提取出充质干细胞，此类来源的MSCs不但拥有其他MSCs的生物学特征，且具有以下优势：①脐血中的干、祖细胞更初级，有更强的分裂能力。②免疫细胞较幼小，免疫能力低，不会导致免疫反应。③干细胞易被提取，纯度高，无其他细胞污染等[16]。1995年，完成了第一个MSCs的临床试验。该研究纳入15例患者注射了体外培养的MSCs，以测试该方法的安全性[17]。此后，大量的临床试验相继展开。
由于MSCs可直接在关节内注射，可避免手术和相关的副作用，如骨膜肥厚和骨化、免疫反应和异种移植物植入引起的疾病传播[18]。更重要的是，简单易行的注射可提供更便捷、易于接受的治疗环境。近年来，其有效性、安全性与易操作性已受到国内外医务人员的广泛关注。临床中应用MSCs治疗KOA患者主要分为以下几步：①评估患者的整体情况，若患者不存在严重感染、严重精神障碍、心功能不全等的情况下，对患者细胞动员4~5 d。②使用细胞分离机对MSCs进行采集与分离。③进行体外MSCs培养及扩增。④对培养成功的MSCs进行自体移植[19]，目前主流的移植手段包括局部注射MSCs、载MSCs支架植入以及混合注射。
局部注射MSCs是治疗KOA最简单、最方便的方法[20]。其技术的优势在于不仅可加快关节软骨的恢复，还可预防OA导致的退行性病变[21]。2002年，Wakitani和Yamamoto[22]为促进关节软骨破坏的恢复，其团队将自体间充质细胞移植到软骨破损部分。结果发现，间充质细胞移植2周后原缺损的全部区域被软骨占据，软骨细胞与宿主骨接触的修复性软骨开始生长，且开始浸润血管，移植4周后修复性软骨与自体软骨天然融合。一年后，Murphy等[23]对切除内侧半月板以及前交叉韧带模拟关节损伤的动物进行研究，发现注入自体间充质细胞的动物内侧半月板有明显的再生迹象，且新形成的组织中存在移植细胞。这些研究结果初步证实了直接注入MSCs对KOA患者软骨修复的有效性。
2008年，Centeno等[24]从骨髓中分离MSCs并进行体外培养治疗经MR证实为KOA的患者。其研究结果发现，在注射MSCs后24周，患者通过MR检查显示有明显的软骨和半月板生长，运动范围增大，VAS疼痛评分降低。结果证明，自体MSCs培养及经皮注射可明显促进关节软骨生长，减轻疼痛，增加关节活动度，其对骨关节炎和半月板损伤的微创治疗具有重要的意义。2012年，Koh和Choi[25]从髌下脂肪垫中分离MSCs并对KOA患者进行体外培养治疗。该研究对25例KOA患者进行干细胞注射联合关节镜下清创，该手术通过外侧门静脉处皮肤切口，从髌下脂肪垫内侧获取脂肪滑膜，体外培养MSCs后在门诊进行注射。首先将膝关节抽吸术用于关节血肿，之后在膝关节注射富血小板血浆（platelet rich plasma，PRP）MSCs混合液，最后使患者膝关节被动弯曲和伸展几次，以便让PRP干细胞在成为凝胶之前分布在关节各处。术后只有1例患者出现明显疼痛和肿胀，2周后自行消退。试验组患者经Lysholm评分、Tegner活动量表以及VAS评分在最后一次随访时均有显著改善。2016年，Wang等[26]通过关节内注射脐源性MSCs治疗退行性KOA患者并探讨其安全性和有效性。发现注射细胞1周后，治疗组疼痛和肿胀发生率高于安慰剂组，但未出现严重不良反应，治疗后1~6个月，MSCs治疗组Lysholm膝关节功能评分、WOMAC评分量表及SF-36量表评分均明显优于治疗前，而安慰剂组治疗前后Lysholm膝关节功能评分、SF-36量表评分无显著差异。两组比较发现，治疗后2个月内各项评分并无显著差异，但MSCs治疗组3~6个月评分明显优于安慰剂组。结果说明应用脐源性MSCs关节内注射可提高患者关节功能和生活质量，且MSCs在植入1个月后起效。以上研究结果证实无论是骨髓源、脂肪源还是脐血源MSCs均有良好的软骨再生作用以及对KOA明确的治疗意义。对于MSCs植入剂量问题，Jo等[27]认为MSCs注射剂量为1.0×108单位时，可在最大程度上改善KOA患者膝关节的功能和疼痛，且不会出现不良事件。3年后，该团队研究结果表明，注射高剂量的MSCs（1.0×108）较中剂量组（5.0×107）以及低剂量组（1.0×107）种植出的软骨质量好，且中、低剂量组在植入1年后软骨易损坏[28]；但对于同一问题，Pers等[29]团队发现接受低剂量（2.0×106）MSCs治疗的患者较中剂量（1.0×107）和高剂量（5.0×107）治疗后疼痛水平和功能改善明显。
MSCs支架是为MSCs提供养料以及稳定环境的一种组织，按其质地不同可分为胶原蛋白、纤维、透明质酸（hyaluronic acid，HA）等类型[30]。在MSCs技术提出之前，就曾有研究者使用支架技术运输体外培养的软骨细胞植入关节面上，但效果欠佳。MSCs技术兴起后，Lamo-Espinosa等[31]探索MSCs支架治疗KOA的安全性和有效性，并确定最佳剂量。该研究将30例诊断为KOA的患者随机分为两组，对照组为关节内单独注射HA，治疗组使用注射剂量分别为1.0×107和1.0×108的MSCs联合HA支架，随访12个月。结果发现治疗组软骨修复效果优于对照组，且在细胞剂量为1.0×108的情况下关节软骨修复效果最好，可最大程度地改善KOA的功能。此研究成果确定了未来的试验方向；但该实验随访时间较短，未能明确MSCs支架治疗后的长期效果。为探索MSCs支架技术的长期有效性，Park等[32]对异基因脐源性MSCs联合HA支架技术的治疗效果进行了为期7年的临床试验。该研究对严重软骨破损患者进行MSCs支架治疗，术后3个月在关节镜检中发现有完整的新生软骨，在6个月时VAS评分和IKDC膝关节量表提示疼痛减轻，1年时植入关节组织表现为透明软骨，3年时MR检查显示再生软骨持续存在，7年时关节无成骨或肿瘤发生。该研究结果说明应用这种新型MSCs联合支架再生膝关节软骨是长期安全有效的。同样，使用胶原蛋白等其他材料作为MSCs支架也被证明具有良好的治疗效果[33]。Tseng等[34]进行了胶原蛋白支架承载异种MSCs软骨修复效果的动物实验，其将猪膝关节前交叉韧带横切，手术诱导OA。4个月后，使用胶原蛋白支架承载异种MSCs嵌入软骨损伤区域并设立对照组进行对比，结果发现所有前交叉韧带切开术动物均出现骨关节炎改变。在支架联合MSCs诱导14 d后，动物膝关节表达出SOX9、COMP等软骨标记物。植入5个月后，膝关节再生组织质量支架联合MSCs组明显优于对照组。实验结果证明胶原蛋白、纤维、HA等支架材料联合MSCs可有效地诱导软骨修复。
混合注射即MSCs联合生长因子、细胞因子与支架夹杂植入，使用支架提供载体，生长因子提供催化作用。Turajane等[35]对5例KOA患者关节镜下植入MCS联合自体外周血干细胞，使用HA作为支架并添加生长因子进行培养催化，在1个月和6个月时所有患者的WOMAC膝关节评分均有显著改善，且停用止痛药治疗未见不良反应。电镜扫描显示MSCs附着于关节表面并进行增殖，且支架上蛋白多糖和糖胺多糖含量增加，提示透明软骨存在。该研究结果初步说明了MSCs支架混合生长因子技术的治疗作用，为以后的研究提供了新的方向；但该试验未进行纳入患者的分组，方法较不严谨。随后，该团队继续研究MSCs混合注入技术并探索该技术的临床价值，即该技术可有效地减少TKA纳入结局指标。该研究将保守干预失败且符合TKA手术指证的KOA患者分为3组：第1组为MSCs联合HA，且使用粒细胞集落刺激因子（granulocyte colony-stimulating factor，G-CSF）进行调节，第2组在第1组基础上去掉G-CSF，第3组为仅使用HA干预。观察12个月发现，除第3组外，其余两组均未进行TKA手术，且第1组与第2组在6个月和12个月的WOMAC总分明显高于第3组。说明MSCs、生长因子联合支架植入技术可有效增强保守治疗KOA的效果[36]。
综上所述，在今后的研究中，作为遗传信息载体的外泌体应给予更多关注。目前已有研究结果证明其所具有的优势大于其对应的MSCs。①外泌体是细胞分泌的小生物膜囊泡。与MSCs不同的是，其形状更小、更为简单、容易生产、提取以及运输，甚至更易通过审查[37]。②MSCs外泌体（mesenchymal stem cell exosomes，ESC-MSCs）没有细胞的活性，解决了使用MSCs过程中产生的肿瘤风险。③ESC-MSCs是药物传递的理想载体，因ESC-MSCs包裹着丰富的蛋白质和RNA，可通过质膜将其传递到靶细胞中，而被人体很好地耐受[38]。ESC-MSCs已被证实存在缓解OA的潜力。研究结果发现，在关节内注射ESC-MSCs可减轻软骨破坏和基质的降解[39]。
近年来，干细胞已成为生物医学研究的热点，尤其在再生医学领域[40]，使用MSCs治疗KOA的研究日益增加，且该技术对软骨修复的效果令人鼓舞；但对于MSCs的剂量、干预时机、类型、传递方式和路径等问题仍不十分明确，因此，尚需要大量的大样本以及多中心的试验来研究MSCs治疗KOA的诸多问题。
所有作者均声明不存在利益冲突
