王宇翔，徐海棟，趙建寧

（南京醫(yī)科大學(xué)金陵臨床醫(yī)學(xué)院，江蘇南京 210002）

下腰痛發(fā)病率近年來逐漸增加，終生患病率為84%，這與人口老齡化、肥胖率增加、不良的生活習(xí)慣等密切相關(guān)［1］。導(dǎo)致下腰痛的病因有很多，其中最常見的病因就是椎間盤退變［2］。腰椎間盤由纖維環(huán)、髓核和終板三個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)成，隨著年齡增大，纖維環(huán)逐漸松弛、髓核內(nèi)含水量減少，最終可能發(fā)生椎間盤的膨出、突出甚至髓核的脫出，當(dāng)退變突出的椎間盤壓迫神經(jīng)根時(shí)甚至?xí)a(chǎn)生相應(yīng)的臀腿部的疼痛。

椎間盤突出給整個(gè)社會(huì)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。目前對(duì)于這種疾病的治療方法主要有兩種，一種是保守治療，以臥床休息和藥物止痛為主，另一種則是手術(shù)治療，通過手術(shù)摘除突出的椎間盤，解除神經(jīng)壓迫緩解癥狀。但無論是哪種方法，都無法解決椎間盤內(nèi)的促炎環(huán)境、細(xì)胞外基質(zhì)合成代謝障礙、功能性細(xì)胞數(shù)量的減少和功能的喪失等問題［3］，并且可能會(huì)產(chǎn)生腰椎活動(dòng)度減小、手術(shù)并發(fā)癥等問題。

在這樣的背景下，在疾病早期通過生物技術(shù)在細(xì)胞層面去延緩椎間盤退變的進(jìn)程自然引起了人們的關(guān)注。由于髓核組織內(nèi)沒有血管，大大降低了細(xì)胞移植后發(fā)生免疫反應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)，提高了同種異體細(xì)胞移植的可行性。通過向退變的椎間盤內(nèi)移植具有正常分泌細(xì)胞外基質(zhì)的功能細(xì)胞，可以改善髓核內(nèi)部的不利于細(xì)胞生存的環(huán)境，減少功能細(xì)胞的凋亡。本文從植入的種子細(xì)胞、作為細(xì)胞移植載體的生物支架和促進(jìn)細(xì)胞生存的生物因子等幾個(gè)方面對(duì)近幾年的相關(guān)研究作一文獻(xiàn)綜述。

1 種子細(xì)胞

目前的研究中，常用于細(xì)胞移植研究的種子細(xì)胞有髓核細(xì)胞和間充質(zhì)干細(xì)胞。

1.1 髓核細(xì)胞

健康的椎間盤中髓核細(xì)胞稀疏，髓核中富含蛋白聚糖和水分，很大程度上分擔(dān)了脊柱的負(fù)荷［4］。這些髓核細(xì)胞通過分泌蛋白聚糖和二型膠原蛋白來維持這些細(xì)胞外基質(zhì)的功能［5］。因此當(dāng)髓核細(xì)胞數(shù)量減少、功能異常時(shí)，通過外源性的細(xì)胞直接替換這些退變的細(xì)胞是最直接的辦法，已有多項(xiàng)研究證明髓核細(xì)胞移植的有效性。Hirashi等［6］通過在犬退變椎間盤模型中植入預(yù)培養(yǎng)的髓核細(xì)胞，使得退變的椎間盤細(xì)胞外基質(zhì)特征有明顯改善；Wang等［7］的研究則表明將同種異體的髓核細(xì)胞移植到大鼠的椎間盤退變模型中能有效抑制細(xì)胞凋亡，并可以觀察到細(xì)胞遷移增加，有效減少了椎間盤的退變。盡管目前應(yīng)用于臨床上的相關(guān)研究很少，但Mochida等［8］對(duì)9名患者的3年前瞻性安全性研究表明，3年隨訪期間未觀察到不良反應(yīng)，證實(shí)了這項(xiàng)技術(shù)臨床應(yīng)用的安全性。目前髓核細(xì)胞移植面臨的最大問題是細(xì)胞來源不足，既難以從患者體內(nèi)提取到足量的髓核細(xì)胞用于移植，又難以排除同種異體細(xì)胞移植潛在的健康安全問題，同時(shí)髓核細(xì)胞經(jīng)過多次培養(yǎng)傳代后容易發(fā)生表型消失、向成纖維細(xì)胞分化的問題，因此需要考慮采用來源更加豐富的細(xì)胞作為種子細(xì)胞。

1.2 干細(xì)胞

干細(xì)胞是具有高分化能力、高增殖率的一類細(xì)胞，目前已經(jīng)可以從人體的多種組織中提取獲得干細(xì)胞，包括骨髓、脂肪、肌肉、皮膚、骨膜、血液、滑膜等［9］。其中常用的是胚胎干細(xì)胞、誘導(dǎo)多能干細(xì)胞和間充質(zhì)干細(xì)胞［10］。其中胚胎干細(xì)胞和誘導(dǎo)多能干細(xì)胞由于數(shù)量較少、存在發(fā)生腫瘤的可能等問題，應(yīng)用受到限制。而間充質(zhì)干細(xì)胞是源自于中胚層組織和器官的多能細(xì)胞，在適當(dāng)?shù)纳L(zhǎng)因子或誘導(dǎo)劑的誘導(dǎo)下，具有分化為其原始組織或器官的某些或全部細(xì)胞的能力。

目前已有較多研究顯示出間充質(zhì)干細(xì)胞用于治療椎間盤退變性疾病的巨大潛力。為了促進(jìn)間充質(zhì)干細(xì)胞向髓核細(xì)胞分化，促進(jìn)其合成蛋白聚糖和II型膠原蛋白，已嘗試多種體外誘導(dǎo)方式，包括模擬椎間盤內(nèi)的低氧環(huán)境［11］、使用II型膠原蛋白混合處理的水凝膠以及通過將髓核細(xì)胞與間充質(zhì)干細(xì)胞混合培養(yǎng)等［12，13］，都可以促使其分化為髓核細(xì)胞表型。現(xiàn)有的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證明多種來源的間充質(zhì)干細(xì)胞可以用于治療椎間盤退變性疾病。Perez-Cruet等［14］將臍帶來源的間充質(zhì)干細(xì)胞移植到兔的椎間盤退變模型中，觀察到髓核的組織學(xué)結(jié)構(gòu)得到增強(qiáng)，蛋白聚糖和水含量都顯著改善。Li等［15］通過將骨髓來源的間充質(zhì)干細(xì)胞植入兔椎間盤，觀察到椎間盤高度指數(shù)和II型膠原蛋白水平明顯增高，顯著修復(fù)了變形的椎間盤纖維環(huán)。Wang等［16］將脂肪來源的間充質(zhì)干細(xì)胞在軟骨形成培養(yǎng)基中預(yù)分化7～10 d，其促進(jìn)椎間盤再生的作用得到大大提高。

臨床上已有一些初步的研究證明其安全性。Kumar等［17］在10例椎間盤退變的患者的髓核中植入了自體脂肪來源的間充質(zhì)干細(xì)胞和透明質(zhì)酸，隨訪1年后可觀察到患者的ODI和VAS評(píng)分均得到改善，部分患者髓核的含水量增加。Petine等［18，19］則將患者的自體骨髓濃縮液注射到退變的髓核中，隨訪3年，觀察到20名患者的ODI和VAS評(píng)分明顯改善，同時(shí)觀察到，注射的骨髓液中細(xì)胞濃度越高，患者的癥狀改善越明顯，治療過程中也沒有發(fā)生注射相關(guān)的不良事件。

2 生物材料載體

為了模擬髓核的物理狀態(tài)和為種子細(xì)胞提供一個(gè)適合生存的環(huán)境，需要利用一些生物材料構(gòu)建適合的載體。目前常用的一些材料主要分為三種：

一種是天然材料，包括膠原蛋白、殼聚糖、透明質(zhì)酸和藻酸鹽等［20］。Omlor等［21］將纖維蛋白基質(zhì)與間充質(zhì)干細(xì)胞結(jié)合，植入豬椎間盤退變模型，經(jīng)過12周治療后發(fā)現(xiàn)椎間盤退變明顯減少，且營(yíng)養(yǎng)因子表達(dá)增多、炎癥因子表達(dá)減少。Zhou等［22］使用II型膠原和硫酸軟骨素的復(fù)合水凝膠構(gòu)建細(xì)胞載體，在大鼠尾椎退變模型中植入后，使退變椎間盤的高度、水含量和細(xì)胞外基質(zhì)的合成均得到改善。Zeng等［23］使用藻酸鹽水凝膠作為間充質(zhì)干細(xì)胞的載體將間充質(zhì)干細(xì)胞植入犬椎間盤退變模型，經(jīng)過6個(gè)月治療后退變程度與對(duì)照組相比明顯減輕。

還有一種是合成材料，包括聚乳酸、聚乙二醇等［20］。Pirvu 等［24］利用聚碳酸三亞甲基酯 （PTMC）作為間充質(zhì)細(xì)胞的載體，同時(shí)使用聚酯酸酯（PU）膜修復(fù)斷裂的纖維環(huán)防止髓核漏出，在牛椎間盤退變模型中恢復(fù)了椎間盤高度，同時(shí)誘導(dǎo)了合成代謝基因的表達(dá)上調(diào)和分解代謝基因的下調(diào)。Varma等使用氧化還原聚合的羧甲基纖維素水凝膠，體外培養(yǎng)人間充質(zhì)干細(xì)胞，獲得了豐富的蛋白聚糖和膠原蛋白等細(xì)胞外基質(zhì)沉積。另外還有使用多空編制鈦和自組裝鈦納米纖維等作為載體材料，都顯示出了良好的應(yīng)用前景［25，26］。

最后一種是生物來源載體支架，利用脫細(xì)胞的髓核甚至是整個(gè)椎間盤脫細(xì)胞后進(jìn)行移植［27，28］，經(jīng)過血管重建和骨重塑后，脊柱的活動(dòng)性和穩(wěn)定性都能得到明顯改善。Shan等［29］利用脫細(xì)胞的豬小腸粘膜下層制成顆粒，接種兔髓核細(xì)胞后植入兔椎間盤退變模型，有效預(yù)防了退變的進(jìn)展。

3 生長(zhǎng)因子

除了通過引入外源性功能細(xì)胞增加細(xì)胞數(shù)量外，如何減少細(xì)胞凋亡是另一個(gè)重要的研究方向。通過直接注射生長(zhǎng)因子或者在種子細(xì)胞中通過病毒轉(zhuǎn)染相關(guān)基因使其表達(dá)生長(zhǎng)轉(zhuǎn)化因子，可促進(jìn)細(xì)胞從分解代謝狀態(tài)向合成代謝狀態(tài)轉(zhuǎn)化，并減少細(xì)胞凋亡。目前已證明有多種生長(zhǎng)因子在體外可刺激椎間盤細(xì)胞的增殖和基質(zhì)合成，包括 TGF-β［30］、GDF-5［31］和 BMP-2［32］等。

TGF-β是調(diào)節(jié)多種細(xì)胞類型的生長(zhǎng)、粘附和分化的多功能因子，同時(shí)也是一種強(qiáng)大的免疫抑制劑。在髓核內(nèi)通過上調(diào)TGF-β誘導(dǎo)產(chǎn)生IκB來抑制NF-κB活性，從而減輕髓核內(nèi)的炎癥反應(yīng)，減少髓核細(xì)胞的凋亡［33］。Jiang 等［34］通過將 TGF-β1 與間充質(zhì)干細(xì)胞共同植入退變的大鼠髓核內(nèi)，對(duì)變形的椎間盤明顯起到修復(fù)作用，且這種修復(fù)作用強(qiáng)于單獨(dú)植入間充質(zhì)干細(xì)胞。

GDF-5也被稱為軟骨衍生的形態(tài)發(fā)生蛋白1，在1994年被確定為TGF-β超家族的新成員［35］。GDF-5在肌肉、骨骼的發(fā)育過程中起到關(guān)鍵作用，例如軟骨內(nèi)骨化、肌腱和韌帶的形成、修復(fù)等［36］，因此考慮到其多效性可能有助于椎間盤退變的治療。在GDF-5基因缺陷的模型小鼠中，可觀察到椎間盤中的蛋白聚糖和II型膠原的表達(dá)明顯下調(diào)，通過外源注入GDF-5后蛋白聚糖和II型膠原呈劑量依賴式的表達(dá)上升［37］。Colombier等［38］將 GDF-5 與 TGF-β1 協(xié)同作用以使脂肪來源的間充質(zhì)干細(xì)胞向髓核樣細(xì)胞分化，最終分泌了與天然髓核細(xì)胞相當(dāng)?shù)木哂胸S富的蛋白聚糖和II型膠原的細(xì)胞外基質(zhì)。

4 展 望

目前細(xì)胞移植用于治療椎間盤退變疾病已取得一定的進(jìn)展，但在研究過程中仍然存在很多問題亟待解決，如如何進(jìn)一步促進(jìn)移植細(xì)胞的生存、減少凋亡；需要開發(fā)更加高效的載體生物材料；尋找創(chuàng)傷更小的移植方法等等。更重要的是，目前臨床方面的研究還比較少，且多局限于論證細(xì)胞移植安全性的前瞻性研究，對(duì)于用什么方式、在椎間盤退變進(jìn)展到何種程度時(shí)進(jìn)行移植更有效等問題，目前尚無相關(guān)研究進(jìn)行論證，因此這一治療方式仍值得進(jìn)一步探索。