间充质干细胞治疗膝骨关节炎的临床研究进展

间充质干细胞治疗膝骨关节炎的临床研究进展

杨振亚 1,2， 刘赟 2

1. 昕慕上海科技发展有限公司， 上海 201800；

2.天津博纳戈恩生物科技有限公司，天津 300042；

摘要：膝骨关节炎是一种以退行性病理改变为基础的疾患，发病率随年龄增大而升高，因此常见于中老年人群。目前通常的治疗手段是通过消除炎症或减轻疼痛来缓解症状，从而阻止和延缓疾病的发展，进而保护关节功能，以防功能丧失，然而现有的临床治疗方式远期效果大多并不理想。近年来随着对间充质干细胞的研究逐步深入，人们发现其可促进软骨再生的特点，因而以间充质干细胞移植为主的治疗方法，在国内外逐渐兴起，并开始进入临床实验阶段。本文将主要就间充质干细胞治疗膝骨关节炎的原理、以及相关临床研究进行汇总，并为膝骨关节炎相关的研究和间充质干细胞的应用提供参考。

关键词：膝骨关节炎；间充质干细胞；临床研究；自体；同种异体

前言

膝骨关节炎（Knee Osteoarthritis, KOA）是一种以退行性病理改变为基础的疾患，常见于中老年人群。该疾病初期症状较轻，临床表现多为膝盖部位肿胀、酸痛、行动不适，坐立姿势改变时疼痛、弹响等，严重时出现活动受限、积液、关节畸形，不及时得到有效治疗病情可能发展为残疾^[1]。

KOA常由长期姿势僵化、劳累、外伤、或其它关节退行性病变如软骨退化、半月板磨损等原因导致。因此该病的治疗关键在于保护软骨，防止进一步受损，同时尽可能使其自我修复和再生。但由于膝关节部位软骨组织无血管，因此软骨部位自我修复和再生的能力很差，且关节软骨缺损的再生方法很少^[2]。KOA一般采用综合治疗，包括病人教育，药物治疗，理疗或外科手术治疗，现有的治疗方式包括软骨保护剂硫酸氨基葡萄糖、透明质酸关节腔注射、中医针灸推拿、膝关节置换以及间充质干细胞治疗等，其远期效果大多并不理想，而近年来随着对间充质干细胞的研究逐步深入，人们发现其可促进软骨再生的特点，因而以间充质干细胞移植为主的治疗方法，在国内外逐渐兴起，并开始进入临床实验阶段。

本综述将主要就间充质干细胞治疗KOA的原理、以及相关临床研究进行汇总，并为KOA相关的研究和间充质干细胞的应用提供参考。

1 间充质干细胞治疗KOA原理

间充质干细胞（Mesenchymal Stem Cells, MSC）是一类多能干细胞，存在于身体多个部位中，具有自我复制和多向分化能力。骨髓、骨骼肌、脂肪、胎盘、脐带等多个组织均可以分离扩增出可以应用于临床的MSC。由于它分化的组织类型十分广泛，因此临床应用价值不菲，且属于干细胞临床应用最多的一类，现有应用结果表明患者可接受大剂量输注治疗，且安全无不良反应^[3]。

利用MSC进行KOA治疗，主要通过以下几个途径实现其作用。

细胞分化：MSC可以分化为成骨细胞和软骨细胞^[4]，因此可以用于膝关节软骨组织的修复。

促进软骨再生：MSC对软骨细胞的再生具有促进作用，可通过分泌细胞因子而促进软骨祖细胞增殖^[5]。

免疫调节：MSC通过分泌细胞因子，抑制软骨细胞表达炎性介质^[5]，减少KOA患者软骨和滑膜组织的炎症反应^[6]。

综合来说，在植入KOA患者体后，MSC会通过分泌多种可溶性因子抑制炎性介质表达，调整免疫平衡，减轻或消除患者的炎症反应，减少其对软骨、关节组织的破坏，并促进软骨细胞的再生。同时利用其多向分化、自我复制的能力，通过不断增殖分化为软骨细胞，代替病变部位死亡或受损的细胞，修复被破坏的软骨及关节组织，从而达到治疗目的。

2 间充质干细胞治疗膝骨关节炎临床进展

目前国内外已有多项针对KOA的临床实验中使用了不同种类的MSC移植作为主要治疗方式，分别有脐血间充质干细胞UCB-MSC（同种异体）、脐带间充质干细胞UC-MSC（同种异体）、胎盘间充质干细胞P-MSC（同种异体）、脂肪间充质干细胞AD-MSC（自体）以及骨髓间充质干细胞BM-MSC（同种异体、自体）等。这些临床使用的MSC虽然来源不同，但针对KOA的治疗效果均令人满意，且随访期内均证实安全可靠，无不良反应或术后并发症。

2.1 同种异体脐血间充质干细胞

Song等^[7]在2014年1月到2015年12月，对128例接受UCB-MSC植入的全层软骨损伤患者进行了回顾性评估，并进行了至少2年的随访，结果发现术后1年和2年VAS、WOMAC和IKDC评分的平均值较术前有显著改善,病变部位差异有显著性,无不良反应或术后并发症，证实UCB-MSC移植治疗KOA是有效的。

Dong等^[8]同时评估了骨髓浓缩物（BMAC）和UCB-MSC植入治疗KOA的临床和磁共振成像（MRI）结果。对52例（52膝）采用BMAC（25膝）和UCB-MSC（27膝）进行软骨修复手术，术后2年进行回顾性分析。在2年的随访中，两组患者的临床和MRI结果均令人满意。也就是说BMAC或UCB-MSC移植修复软骨损伤均属于安全有效。

2.2同种异体脐带间充质干细胞

Matas J等^[9]评估了UC-MSC关节内单次或重复注射治疗KOA的安全性和有效性。3组患者分别接受透明质酸（HA）注射、随机单剂量UC-MSC和重复UC-MSC治疗，接受间充质干细胞治疗的患者的疼痛和功能较术前水平有显著改善。12个月时，UC-MSC重复治疗组在WOMAC-A关节炎指数、疼痛视觉模拟评分达到显著低于HA组，证明重复UC-MSC治疗KOA是安全的，并且优于透明质酸的注射效果。

Dilogo等^[10]共招募29名KOA患者受试（57膝），在初始阶段至第六个月随访时，人脐带间充质干细胞显著降低膝关节炎视觉模拟的疼痛评分，WOMAC指数显著降低。在重度膝关节炎患者中，第六个月随访时，国际膝关节文献委员会膝关节评分显著增加，因此得出结论为UC-MSC可能是治疗KOA的一种新的再生疗法，注射6个月后效果最好。

Wang等^[11]在将36例符合选择标准的中重度退行性KOA患者纳入研究,随机分为两组（n=18）分别关节腔注射UC-MSC细胞悬液与透明质酸钠。细胞治疗组患者治疗后1~6个月Lysholm评分以及2~6个月WOMAC评分、SF-36量表评分均优于治疗前,随访期间患者无膝关节疼痛复发，WOMAC评分治疗后1、2、3个月与治疗前比较差异有统计学意义，治疗后3、6个月细胞治疗组各项评分均明显优于对照组。结论为关节腔注射UC-MSC治疗退行性KOA可显著改善患者关节功能和生活质量,注射后1个月起效,治疗作用可持续6个月。

2.3同种异体胎盘间充质干细胞

Soltani等^[12]采用双盲、安慰剂对照临床试验研究了P-MSC治疗KOA的安全性和有效性。20例KOA患者随机分为两组，关节内注射0.5～0.6×10^8的P-MSC或生理盐水。治疗后早期，膝关节活动度明显改善，疼痛减轻。MSC注射组在生活质量、日常生活活动、运动和OA症状方面均显著改善。在24周内，MSC注射组约10%的膝关节总面积改善了软骨厚度。证实了KOA单关节内注射P-MSC是安全的，在24周的随访中可以改善临床症状。

2.4自体脂肪间充质干细胞

Jo等^[13]收集了18例KOA患者，并将AD-MSC注入膝关节。第一阶段研究包括三个剂量递增队列，各3名患者,第二阶段包括9名接受高剂量治疗的患者。高剂量组注射后6个月WOMAC评分有所改善,股骨内侧髁和胫骨髁软骨缺损面积减小，软骨体积增大。关节镜检查显示高剂量组股骨内侧和胫骨内侧髁软骨缺损面积减小,组织学显示出现软骨再生。

Lee等^[14]在一项前瞻性双盲、随机对照、IIb期临床试验中将12例患者（MSC组）进行AD-MSC治疗，并与12例膝注射生理盐水（对照组）6个月后比较。单次注射AD-MSC可使术后6个月WOMAC评分显著提高，对照组术后6个月评分无明显变化。MRI显示MSC组6个月时软骨缺损无明显改变，而对照组软骨缺损增加。

Lu等^[15]的研究中将53例患者随机分为两组并随机接受AD-MSC或HA关节内注射。与HA组相比，AD-MSC移植组在12个月后的WOMAC改善率显著高于HA组，且有更多患者在12个月后达到70%的改善率。同时，根据MRI测量，12个月后AD-MSC移植的双膝关节软骨体积明显比HA组增加。

2.5同种异体骨髓间充质干细胞

Vega等^[16]将30例经保守治疗无效且有骨关节炎影像学证据的慢性KOA患者随机分为2组，每组15例采用同种异体BM-MSC关节内注射40×10^6剂量。随访1年，与用透明质酸治疗的对照组相比，MSC治疗的患者在功能评分方面表现出显著的改善。通过对软骨质量的T2标测显示，BM-MSC治疗患者的软骨质量改善，软骨缺损区域显著减少。

2.6自体骨髓间充质干细胞

在一项较早期的临床实验中，Orozco等^[17]应用自体BM-MSC关节内注射治疗12例经保守治疗无效的慢性KOA患者。临床结果随访1年，患者表现出快速和渐进的功能评分改善，在1年内接近65%到78%，此外，12例患者中有11例软骨质量改善，软骨缺损面积显著减少。证实了BM-MSC治疗慢性KOA是一种有效的治疗方法，干预措施简单，不需要住院或手术，可以减轻疼痛，并显著改善软骨质量。

Soler等^[18]评估了关节腔内注射体外扩增自体BM-MSC治疗KOA的可行性、安全性和有效性,对15例KOA和慢性疼痛患者进行40.9×10^6±0.4×10^6数量的自体BM-MSC关节腔灌注治疗。从输注后第8天开始，疼痛强度相应减轻，12个月后包括身体疼痛、生理和身体功能在内的各项参数都有所改善，所有患者均有软骨再生迹象。

Bastos等^[19]在一项较为早期的临床实验中，比较了单用自体BM-MSC或联合富血小板血浆（MSCs+PRP）关节腔内注射治疗KOA的疗效和安全性，结果支持了在KOA患者中推荐这种微创手术，而不需要住院治疗。

而在一项较新的临床实验中，Bastos等^[20]将47例KOA患者随机分为3组：自体BM-MSC（n=16）；自体BM-MSC+PRP（n=14）；皮质类固醇（n=17）。在第1个月，只有MSCs组在KOOS症状域上有显著差异（p=0.003）。与皮质类固醇组相比，BM-MSC和BM-MSC+PRP组在大多数KOOS域和总分方面的改善百分比最高，12个月随访时，关节内注射BM-MSC可有效改善KOA的功能，减轻症状。

3 现状与展望

目前，国内尚无自主研发的适应症为KOA的干细胞药物获批上市，但有数个已经被批准进入临床实验阶段，而MSC种子来源和对体外扩增培养过程的质量控制以及对于终产品制剂的质量标准应该严格把控，需要建立规范的指导方针和高效安全的生产程序^[21]。我国目前尚未出台MSC制剂的国家标准，因此，相关机构和人员投入更多精力来制定、完善和贯彻标准，才能够更好的规范产品、同时进行产业转化，为广大患者带来希望。

目前利用MSC进行KOA治疗的临床研究中，以自体脂肪MSC和自体骨髓MSC为最多，异体MSC应用则以脐带来源为最多，同时在研究中使用的方式大多数是膝关节腔内微创注射，或配合透明质酸进行联合用药，少数方式为外科手术移植。这类治疗方式的安全性均得到基本证实，术中术后未出现严重不良反应，效果也基本令人满意。

同时我们也注意到，在使用不同来源的MSC在治疗KOA的临床效果存在一定的差异。这种差异可能是由MSC的组织来源特性决定的，也可能是由不同的应用方式亦或是临床应用后的不同管理方案造成的。在众多的临床研究中，研究人员采用的MSC移植方式各不相同，剂量的选择更是差异巨大，在细胞培养过程中采用的培养方法以及收获MSC细胞的纯度、细胞活性均没有统一的标准可参考。要解决以上问题，还需要更大样本量的临床研究。

虽然这项技术还需要更大规模的临床实验进行进一步的验证，但值得注意的是关节腔内注射MSC的治疗方式可以通过门诊微创手术方式进行，而且恢复时间段、见效快，避免了外科手术的各种局限，也不需要接受住院治疗，这为KOA的未来治疗方式提供了非常好的指导方向。相信在不久的将来，利用MSC治疗KOA将成为成熟、普遍且实用的技术手段，让更多患者受益。

参考文献

1. Matas J, Orrego M, Amenabar D, et al. Umbilical Cord-Derived Mesenchymal Stromal Cells (MSCs) for Knee Osteoarthritis: Repeated MSC Dosing Is Superior to a Single MSC Dose and to Hyaluronic Acid in a Controlled Randomized Phase I/II Trial. Stem Cells Transl Med, 2019 Mar, 8(3):215-224.

2. Park YB, Ha CW, Lee CH, et al. Cartilage Regeneration in Osteoarthritic Patients by a Composite of Allogeneic Umbilical Cord Blood-Derived Mesenchymal Stem Cells and Hyaluronate Hydrogel: Results from a Clinical Trial for Safety and Proof-of-Concept with 7 Years of Extended Follow-Up. Stem Cells Transl Med, 2017 Feb, 6(2):613-621.

3. Florea V, Rieger AC, DiFede DL, et al. Dose Comparison Study of Allogeneic Mesenchymal Stem Cells in Patients With Ischemic Cardiomyopathy (The TRIDENT Study). Circ Res, 2017 Nov, 121(11):1279-1290.

4. Meirelles Lda S, Nardi NB. Methodology, biology and clinical applications of mesenchymal stem cells. Front Biosci (Landmark Ed), 2009 Jan, 14:4281-98.

5. Platas J, Guillén MI, Pérez del Caz MD, et al. Conditioned media from adipose-tissue-derived mesenchymal stem cells downregulate degradative mediators induced by interleukin-1β in osteoarthritic chondrocytes. Mediators Inflamm, 2013, 2013:357014.

6. van Buul GM, Villafuertes E, Bos PK. Mesenchymal stem cells secrete factors that inhibit inflammatory processes in short-term osteoarthritic synovium and cartilage explant culture. Osteoarthritis Cartilage, 2012 Oct, 20(10):1186-96.

7. Song JS, Hong KT, Kim NM, et al. Implantation of allogenic umbilical cord blood-derived mesenchymal stem cells improves knee osteoarthritis outcomes: Two-year follow-up. Regen Ther, 2020 Jan, 14:32-39.

8. Dong JR, Yoon SJ, Jun SP, et al. Comparison of Bone Marrow Aspirate Concentrate and Allogenic Human Umbilical Cord Blood Derived Mesenchymal Stem Cell Implantation on Chondral Defect of Knee: Assessment of Clinical and Magnetic Resonance Imaging Outcomes at 2-Year Follow-Up. Cell Transplant, 2020 Jan, 29:963689720943581.

9. Matas J, Orrego M, Amenabar D, et al. Umbilical Cord-Derived Mesenchymal Stromal Cells (MSCs) for Knee Osteoarthritis: Repeated MSC Dosing Is Superior to a Single MSC Dose and to Hyaluronic Acid in a Controlled Randomized Phase I/II Trial. Stem Cells Transl Med, 2019 Mar, 8(3):215-224.

10. Dilogo IH, Canintika AF, Hanitya AL, et al. Umbilical cord-derived mesenchymal stem cells for treating osteoarthritis of the knee: a single-arm, open-label study. Eur J Orthop Surg Traumatol, 2020 Jul, 30(5):799-807.

11. Wang Y, Jin W, Liu H, et al. CURATIVE EFFECT OF HUMAN UMBILICAL CORD MESENCHYMAL STEM CELLS BY INTRA-ARTICULAR INJECTION FOR DEGENERATIVE KNEE OSTEOARTHRITIS. Zhongguo Xiu Fu Chong Jian Wai Ke Za Zhi, 2016 Dec, 30(12):1472-1477.

12. Soltani SK, Forogh B, Ahmadbeigi N, et al. Safety and efficacy of allogenic placental mesenchymal stem cells for treating knee osteoarthritis: a pilot study. Cytotherapy, 2019 Jan, 21(1):54-63.

13. Jo CH , Lee YG, Shin WH, et al. Intra-articular injection of mesenchymal stem cells for the treatment of osteoarthritis of the knee: a proof-of-concept clinical trial. Clinical Trial Stem Cells, 2014 May, 32(5):1254-66.

14. Lee WS, Kim HJ, Kim KI, et al. Intra-Articular Injection of Autologous Adipose Tissue-Derived Mesenchymal Stem Cells for the Treatment of Knee Osteoarthritis: A Phase IIb, Randomized, Placebo-Controlled Clinical Trial. Stem Cells Transl Med, 2019 Jun, 8(6):504-511.

15. Lu L, Dai C, Zhang Z, et al. Treatment of knee osteoarthritis with intra-articular injection of autologous adipose-derived mesenchymal progenitor cells: a prospective, randomized, double-blind, active-controlled, phase IIb clinical trial. Stem Cell Res Ther, 2019 May, 10(1):143.

16. Vega A, Martín-Ferrero MA, Canto FD, et al. Treatment of Knee Osteoarthritis With Allogeneic Bone Marrow Mesenchymal Stem Cells: A Randomized Controlled Trial. Transplantation, 2015 Aug, 99(8):1681-90.

17. Orozco L, Munar A, Soler R, et al. Treatment of knee osteoarthritis with autologous mesenchymal stem cells: a pilot study. Transplantation, 2013 Jun, 95(12):1535-41.

18. Soler R, Orozco L, Munar A, et al. Final results of a phase I-II trial using ex vivo expanded autologous Mesenchymal Stromal Cells for the treatment of osteoarthritis of the knee confirming safety and suggesting cartilage regeneration. Knee, 2016 Aug, 23(4):647-54.

19. Bastos R, Mathias M, Andrade R, et al. Intra-articular injections of expanded mesenchymal stem cells with and without addition of platelet-rich plasma are safe and effective for knee osteoarthritis. Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc, 2018 Nov, 26(11):3342-3350.

20. Bastos R, Mathias M, Andrade R, et al. Intra-articular injection of culture-expanded mesenchymal stem cells with or without addition of platelet-rich plasma is effective in decreasing pain and symptoms in knee osteoarthritis: a controlled, double-blind clinical trial. Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc, 2020 Jun, 28(6):1989-1999.

21. Li T, Xia M, Gao Y, et al. Human umbilical cord mesenchymal stem cells: an overview of their potential in cell-based therapy. Expert Opin Biol Ther, 2015, 15(9):1293-306.