張蒯祥,楊江佳,殷建林,郝洋,章菲凡,李記天,,*

[1.河南省洛陽正骨醫(yī)院(河南省骨科醫(yī)院),河南 鄭州 450016;2.湖南中醫(yī)藥大學(xué),湖南 長(zhǎng)沙 410000;3.河南中醫(yī)藥大學(xué),河南 鄭州 450046]

椎間盤退變(intervertebral disc degeneration,IDD)是臨床常見的椎間盤病理改變,IDD的發(fā)生給社會(huì)勞動(dòng)力帶來了沉重負(fù)擔(dān),同時(shí)也對(duì)患者家庭經(jīng)濟(jì)造成一定的影響[1]。椎間盤由髓核(nucleus pulposus,NP)、纖維環(huán)和軟骨終板構(gòu)成,是脊柱運(yùn)動(dòng)和負(fù)荷的結(jié)構(gòu)支撐,其主要特點(diǎn)為：無血管、缺氧、低糖、低PH、高滲和機(jī)械負(fù)荷。IDD的原因復(fù)雜多樣,主要包括衰老、機(jī)械壓力、遺傳因素、缺乏鍛煉、吸煙、肥胖、感染、創(chuàng)傷等。IDD主要表現(xiàn)為椎間盤高度的降低、纖維環(huán)出現(xiàn)裂隙或斷裂、NP中膠原蛋白和水分的丟失、椎體終板的鈣化等結(jié)構(gòu)的改變,繼而出現(xiàn)椎間盤膨出、突出、脫出等病理變化,并在相應(yīng)部位出現(xiàn)疼痛、麻木等臨床表現(xiàn)。研究表明,退化的椎間盤可以產(chǎn)生大量炎癥因子,炎癥因子的產(chǎn)生同時(shí)又可以進(jìn)一步加劇IDD的進(jìn)程[2-3]。因此,在某種程度上,IDD治療可能存在一些困難。目前,IDD的治療方法主要包括保守治療和手術(shù)治療兩種。在保守治療中,主要是通過相應(yīng)的物理療法(牽引、理療、推拿等)、藥物治療(中藥熏蒸、非甾體消炎藥、肌肉松弛藥物、改善微循環(huán)的藥物等)及康復(fù)訓(xùn)練(腰背肌功能鍛煉)等方式來緩解患者的疼痛、改善生活質(zhì)量等。而手術(shù)治療主要是通過椎間盤切除術(shù)或植入人工椎間盤等方式來治療。然而,保守治療雖然具有創(chuàng)傷小、患者痛苦相對(duì)較小、費(fèi)用低和患者易于接受等優(yōu)勢(shì),但其療效不穩(wěn)定且適用范圍也相對(duì)較窄。傳統(tǒng)的手術(shù)治療方法雖然見效快但也存在著創(chuàng)傷大、后遺癥多等不利因素。因此需要尋求一種新方法延緩IDD的進(jìn)展,甚至逆轉(zhuǎn)IDD的進(jìn)程。

干細(xì)胞具有良好的自我更新和分化能力,在實(shí)驗(yàn)室研究和臨床治療中具有廣泛的應(yīng)用前景。研究表明干細(xì)胞可以通過特定的分化途徑修復(fù)退變的椎間盤,臨床研究證實(shí)干細(xì)胞療法治療疼痛性脊柱疾病具有確切療效[4-5],研究者認(rèn)為通過干細(xì)胞治療來激活退變椎間盤的自我修復(fù)對(duì)于臨床治療IDD至關(guān)重要。本文對(duì)于干細(xì)胞在IDD治療中可能發(fā)揮的作用及機(jī)制進(jìn)行綜述,為后續(xù)干細(xì)胞在IDD治療中的應(yīng)用提供參考。

1 干細(xì)胞治療IDD的理論基礎(chǔ)

IDD通常是由椎間盤內(nèi)分解和合成過程的不平衡引起的,NP中促進(jìn)合成代謝的脊索細(xì)胞凋亡后致使椎間盤合成不足,進(jìn)而導(dǎo)致IDD的發(fā)生。因此,修復(fù)受損的髓核細(xì)胞是治療IDD的方法之一。

干細(xì)胞是具有多向分化潛能、自我更新能力的細(xì)胞,是處于細(xì)胞系起源頂端的最原始細(xì)胞,在體內(nèi)能夠分化產(chǎn)生某種特定組織類型的細(xì)胞,其修復(fù)椎間盤的機(jī)制主要是：(1)分化為髓核細(xì)胞,修復(fù)椎間盤。修復(fù)椎間盤的核心在于修復(fù)髓核細(xì)胞,當(dāng)正常的髓核細(xì)胞受到損傷后,其增殖的潛力有限。研究人員已將干細(xì)胞體外誘導(dǎo)分化為髓核樣細(xì)胞,可以有效地改善IDD。Binch等[6]成功將人脂肪來源的間充質(zhì)干細(xì)胞(mesenchymal stem cell,MSC)定向分化為髓核細(xì)胞來治療IDD。Daly等[4]通過實(shí)驗(yàn)用MSC促進(jìn)羊椎間盤切除術(shù)模型的腰椎間盤恢復(fù)。椎間盤中具有多種生長(zhǎng)因子可通過自分泌、旁分泌及內(nèi)分泌途徑促進(jìn)MSC向NP分化,同時(shí)MSC向NP分化還受到細(xì)胞共培養(yǎng)、低氧、三維生物支架、應(yīng)力變化等影響[7-10]。因此,可通過特定的方式誘導(dǎo)干細(xì)胞分化為髓核細(xì)胞來修復(fù)退變的椎間盤。(2)改善疼痛,調(diào)節(jié)椎間盤的內(nèi)環(huán)境。干細(xì)胞具有分泌多種細(xì)胞因子的能力,例如生長(zhǎng)因子、營(yíng)養(yǎng)因子、抑炎因子等。其中,生長(zhǎng)因子可誘導(dǎo)退變的椎間盤細(xì)胞再生,例如胰島素樣生長(zhǎng)因子能夠促進(jìn)髓核細(xì)胞蛋白聚糖及Ⅱ型膠原表達(dá)從而對(duì)NP基質(zhì)合成有促進(jìn)作用[11],成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子在退變的纖維環(huán)修復(fù)過程中有促進(jìn)作用[12];營(yíng)養(yǎng)因子可為細(xì)胞的合成生長(zhǎng)以及細(xì)胞外基質(zhì)合成提供營(yíng)養(yǎng)支持;抑炎因子可抑制炎癥反應(yīng)減緩IDD的進(jìn)程,促進(jìn)免疫調(diào)節(jié),從而改善內(nèi)環(huán)境,緩解疼痛等臨床癥狀[13]。黃曉東等[5]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在大鼠非壓縮性椎間盤突出模型中,骨髓MSC可通過抑制小膠質(zhì)細(xì)胞的活化來減輕神經(jīng)根性疼痛,并能夠下調(diào)促炎細(xì)胞因子的表達(dá)。(3)增加血供,改善椎間盤功能。椎間盤本身沒有血液供應(yīng),一旦受到損傷,很難進(jìn)行自我修復(fù)。張夏夢(mèng)等[14]通過動(dòng)物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)椎動(dòng)脈型頸椎病模型動(dòng)物接受耳緣靜脈注射骨髓MSC混懸液后,骨髓MSC能上調(diào)CD4+CD25+調(diào)節(jié)性T細(xì)胞水平,從而有效抑制椎動(dòng)脈血管炎癥反應(yīng),修復(fù)受損椎動(dòng)脈血管。受損椎動(dòng)脈血管的恢復(fù),有利于IDD得到更大程度改善,緩解椎間盤的進(jìn)一步惡化。

2 干細(xì)胞治療IDD的現(xiàn)狀

2.1 單純使用干細(xì)胞治療IDD的現(xiàn)狀

研究表明,在治療IDD中,干細(xì)胞可以有效修復(fù)受損的椎間盤組織,從而改善椎間盤功能[4]。干細(xì)胞治療較傳統(tǒng)的治療方法而言,具有操作簡(jiǎn)單、治療效果持久等優(yōu)點(diǎn)。MSC可以用于IDD,參與緩解疼痛[15]以及術(shù)后預(yù)防進(jìn)一步退變、減少并發(fā)癥[16]等。在MSC的供體來源上,有研究者選用自/異體MSC或干細(xì)胞外囊泡治療IDD,均有良好的治療效果。Besalti等[16]證明應(yīng)用自體MSC治療IDD術(shù)后預(yù)后不良是一種很有前途的方法;Orozco等[17]針對(duì)10例IDD患者進(jìn)行自體骨髓MSC移植,通過隨訪,并對(duì)其疼痛評(píng)分和殘疾指數(shù)進(jìn)行評(píng)估,發(fā)現(xiàn)患者的疼痛和殘疾都有所改善。Wang等[18]實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,自體MSC-陶瓷復(fù)合材料在恒河猴體間融合模型植入3個(gè)月后,促進(jìn)骨再生,實(shí)現(xiàn)脊柱骨性融合;Xuan等[19]研究表明,椎間盤切除術(shù)聯(lián)合自體椎間盤源性細(xì)胞移植治療腰椎間盤突出是安全可行的。椎間盤源性細(xì)胞移植可以減緩原有IDD的加重,減少椎間盤切除術(shù)的并發(fā)癥。Noriega等[20]研究表明,異體MSC治療可能是治療IDD的有效選擇,異體MSC治療IDD的優(yōu)點(diǎn)是：干預(yù)簡(jiǎn)單,無需手術(shù),可以緩解疼痛,并通過觀察Pfirrmann分級(jí)變化發(fā)現(xiàn)其可顯著改善IDD。骨髓MSC通過分泌多種生物活性分子來應(yīng)對(duì)局部微環(huán)境中的刺激,Distefano等[21]研究表明可以不用外源性干細(xì)胞移植而采用人MSC來源的胞外囊泡從而實(shí)現(xiàn)椎間盤的無細(xì)胞生物活性修復(fù)。骨髓MSC可能受到受體的環(huán)境改變影響其功能,而干細(xì)胞來源的胞外囊泡的因其具有穩(wěn)定性高等特點(diǎn),其治療效果更具有可預(yù)測(cè)性及可控性。這種MSC胞外囊泡的治療策略可能通過刺激細(xì)胞增殖、促進(jìn)細(xì)胞遷移、保護(hù)細(xì)胞免受退行性促炎微環(huán)境的影響來實(shí)現(xiàn)的。Wang等[22]研究證實(shí)人骨髓MSC來源的細(xì)胞外囊泡通過SOX4/Wnt/β信號(hào)通路促進(jìn)退化的髓核細(xì)胞的增殖和細(xì)胞外基質(zhì)的合成。外泌體屬于細(xì)胞外囊泡的一種,Xiang等[23]研究也證實(shí),人尿源性干細(xì)胞外泌體通過蛋白激酶B(protein kinase B,AKT)和細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶(extracellular regulated protein kinases,ERK)信號(hào)通路顯著抑制壓力條件下內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡和IDD。因此,這是一種可行的治療策略。總之,無論是自體干細(xì)胞、異體干細(xì)胞還是干細(xì)胞外囊泡都是治療IDD的可行方法。

2.2 干細(xì)胞與生物載體等聯(lián)合應(yīng)用治療IDD

利用生物支架和MSC聯(lián)合應(yīng)用可修復(fù)椎間盤缺損,促進(jìn)其再生。Ukeba等[24]研究表明超純化干細(xì)胞與原位形成的生物可吸收凝膠的結(jié)合可促進(jìn)退變椎間盤的修復(fù),干細(xì)胞和凝膠聯(lián)合增強(qiáng)了嚴(yán)重IDD綿羊模型椎間盤切除術(shù)后(長(zhǎng)達(dá)24周)椎間盤的再生。徐寶山等[25]研究發(fā)現(xiàn)使用富含骨髓基質(zhì)細(xì)胞的明膠海綿修復(fù)腰椎椎間盤切除術(shù)后的椎間盤缺損是可行和有效的,因此這值得作為椎間盤修復(fù)的細(xì)胞療法進(jìn)行進(jìn)一步的研究和開發(fā)。Guillaume等[26]研究發(fā)現(xiàn)增強(qiáng)形狀記憶藻酸鹽-膠原復(fù)合支架具有增強(qiáng)細(xì)胞遷移和增殖的優(yōu)勢(shì),可用于增強(qiáng)組織修復(fù)。梯度三維細(xì)胞包埋水凝膠作為椎間盤組織工程的潛在生物支架,具有與天然椎間盤相似的結(jié)構(gòu)和功能：內(nèi)部區(qū)域模仿NP組織,外部區(qū)域模仿層狀纖維環(huán)組織,與干細(xì)胞聯(lián)合應(yīng)用或能更好的修復(fù)椎間盤。研究發(fā)現(xiàn),干細(xì)胞的遷移跡象受到哺乳動(dòng)物椎間盤中細(xì)胞外基質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響[27],這對(duì)于開發(fā)治療IDD的組織工程時(shí)是有用的。不過,目前對(duì)于這方面的報(bào)道較少,開發(fā)相關(guān)的生物材料需要進(jìn)一步研究。

研究表明,端粒酶縮短、DNA損傷、氧化應(yīng)激、微環(huán)境和外泌體等因素會(huì)誘導(dǎo)干細(xì)胞衰老而不利于椎間盤退行性疾病的治療[28-29]。因此可以通過藥物與干細(xì)胞聯(lián)合應(yīng)用通過改變椎間盤微環(huán)境或提高M(jìn)SC來源的細(xì)胞外囊泡在特定病變微環(huán)境中的輸送效率等方式提高干細(xì)胞治療能力[30]。左睿等[31]研究發(fā)現(xiàn),炎性細(xì)胞因子中的腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor,TNF)-α可增加細(xì)胞內(nèi)活性氧的水平,引起軟骨終板干細(xì)胞衰老和成骨分化;雷帕霉素誘導(dǎo)的自噬增強(qiáng)核因子E2相關(guān)因子2(nuclear factor E2 related factor 2,Nrf2)/Kelch樣環(huán)氧氯丙烷相關(guān)蛋白-1(Kelch-like ECH-associated protein 1,Keap1)信號(hào)傳導(dǎo),促進(jìn)抗氧化蛋白超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)1和 SOD2的表達(dá),從而消除活性氧,緩解干細(xì)胞衰老,減少軟骨終板干細(xì)胞的成骨分化,保護(hù)了軟骨終板干細(xì)胞免受TNF-α誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激和細(xì)胞衰老的影響。劉建軍等[32]研究表明,酸性條件可以顯著抑制細(xì)胞增殖,增加細(xì)胞凋亡?；虮磉_(dá)結(jié)果也表明,酸性條件可降低干細(xì)胞相關(guān)基因的表達(dá),抑制細(xì)胞外基質(zhì)的合成,并可增加酸敏感離子通道的表達(dá)。因此,在IDD的酸性條件下可以抑制NP中MSC的生物學(xué)行為,阿米洛利可以通過提高NP中MSC的活性來改善IDD。王子玉等[33]研究證實(shí)Sa12b(一種黃蜂肽)通過抑制酸敏感離子通道,提高嚴(yán)重酸性環(huán)境下退變NP中MSC的生物活性,延緩IDD,改善腰痛。因此,積極探索更合適的生物載體及藥物也為干細(xì)胞治療IDD提供了更多的思路。

3 干細(xì)胞治療IDD的問題和挑戰(zhàn)

盡管在干細(xì)胞治療IDD的研究和應(yīng)用中已經(jīng)取得了許多進(jìn)展,但是目前如何使用它們以取得更好的效果仍然需要進(jìn)一步研究。因此未來還需要進(jìn)一步研究解決有關(guān)干細(xì)胞類型、細(xì)胞來源、植入方法、細(xì)胞數(shù)量及體積、安全性以及開發(fā)更適合的生物載體等諸多問題。

3.1 干細(xì)胞類型

不同類型的干細(xì)胞具有不同的分化潛能?，F(xiàn)有的證據(jù)表明多種類型的干細(xì)胞對(duì)IDD的治療都是有效的,但目前尚不清楚哪種組織來源的干細(xì)胞是治療IDD的最佳選擇,干細(xì)胞的類型選擇需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究與臨床驗(yàn)證。胚胎干細(xì)胞雖然是一類具有無限增殖能力和多種分化潛能的細(xì)胞,但由于其倫理方面等原因,目前研究較少也限制了其臨床應(yīng)用。骨髓MSC來源于骨髓,具有相對(duì)容易獲取且具有免疫調(diào)節(jié)功能,然而它們的分化潛能隨著擴(kuò)增次數(shù)的增加而降低,從骨髓中收集細(xì)胞會(huì)導(dǎo)致供體部位疼痛。脂肪來源的MSC具有與骨髓來源的MSC相似的特性,并且具有易獲得性和較高的生產(chǎn)效率等優(yōu)點(diǎn)。Kumar等[34]開展了脂肪干細(xì)胞治療IDD的Ⅰ期臨床試驗(yàn),該臨床試驗(yàn)的成功表明了脂肪干細(xì)胞治療IDD的有效性和安全性,滑膜來源的MSC比骨髓和脂肪來源的MSC具有更高的分化潛能。然而,滑膜MSC移植治療IDD的有效性尚未見報(bào)道,有待進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究。與其他種類干細(xì)胞相比,臍帶MSC治療IDD的研究報(bào)道較少,還需要對(duì)其安全性和有效性進(jìn)行驗(yàn)證。龐曉東等[35]通過對(duì)11例慢性椎間盤性腰痛患者接受臍帶MSC移植治療,在2年的隨訪期間,發(fā)現(xiàn)疼痛視覺模擬評(píng)分(visual analogue scale,VAS)和Oswestry功能障礙指數(shù)(Oswestry disability index,ODI)明顯下降。因此,移植人臍帶來源的MSC是治療慢性椎間盤性腰痛的良好替代方法。

3.2 干細(xì)胞來源

干細(xì)胞來源也是臨床治療中必須考慮的問題之一。自體MSC因其具有更高的安全性,在目前的研究中應(yīng)用廣泛,但因其應(yīng)用成本較高、臨床應(yīng)用需等待周期長(zhǎng),同時(shí)具有細(xì)胞數(shù)量有限的缺點(diǎn)。而異體MSC來源廣泛,可提前擴(kuò)增、提前大量生產(chǎn)與存儲(chǔ),因此具有成本低、臨床治療效率高等優(yōu)點(diǎn)。椎間盤內(nèi)無血供,理論上免疫原性的反應(yīng)很低,因此可廣泛應(yīng)用。但是值得注意的是,雖然這一研究領(lǐng)域已經(jīng)取得了諸多進(jìn)展,但是實(shí)現(xiàn)更加標(biāo)準(zhǔn)化、安全性更高的應(yīng)用仍然需要大量問題亟待解決。

3.3 移植方法

移植方法是IDD的細(xì)胞治療的主要障礙之一,干細(xì)胞移植絕大多數(shù)是采用椎間盤內(nèi)注射,而注射過程對(duì)操作者有一定的技術(shù)要求,否則極有可能導(dǎo)致椎間盤進(jìn)一步損傷,這可能進(jìn)一步導(dǎo)致IDD。目前關(guān)于干細(xì)胞靜脈注射和椎間盤內(nèi)注射等方法對(duì)損傷椎間盤修復(fù)的作用研究比較少,Tam等[36]通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),干細(xì)胞靜脈注射和椎間盤內(nèi)注射后都沒有改善IDD及恢復(fù)椎間盤高度,但兩種方式都可能通過旁分泌作用增加了糖胺聚糖蛋白和蛋白聚糖基因的表達(dá)。因此,需要大樣本的實(shí)驗(yàn),來進(jìn)一步驗(yàn)證不同移植方法對(duì)于IDD的影響,以選擇理想的移植方法。

3.4 其他問題

理想的干細(xì)胞移植載體應(yīng)與人體具有生物相容性,具有椎間盤類似的結(jié)構(gòu)和功能。然而,哪種載體最適合干細(xì)胞,且不良反應(yīng)較少,需要進(jìn)一步研究。

此外,IDD程度與移植干細(xì)胞的數(shù)量之間的關(guān)系目前研究較少;移植的干細(xì)胞是否在局部存活也無長(zhǎng)期有效的監(jiān)測(cè)手段;干細(xì)胞具有較強(qiáng)的分化潛能,干細(xì)胞移植后如何保證正常分化而不產(chǎn)生不良的細(xì)胞分化甚至是否會(huì)誘導(dǎo)腫瘤的發(fā)生還需要進(jìn)一步研究;異體細(xì)胞移植是否會(huì)發(fā)生免疫排斥也無可靠的證據(jù)。而且干細(xì)胞移植對(duì)于操作者也有一定的要求,否則可能導(dǎo)致椎間盤炎和骨髓炎的發(fā)生[37]?？傊?在干細(xì)胞治療IDD的臨床應(yīng)用中還存在著諸多問題,需要突破這些問題是解決干細(xì)胞治療IDD在臨床中應(yīng)用的關(guān)鍵所在。

4 結(jié) 論

隨著人們生活方式的改變以及老齡化程度的加重,IDD患者數(shù)量逐漸增加,患者的治療負(fù)擔(dān)也逐漸加重。目前常用的治療IDD的方法都有著一定的局限性,在經(jīng)典治療方法的基礎(chǔ)上衍生出一系列的新方法,這些方法補(bǔ)充和完善了IDD治療的許多方面。值得注意的是,雖然干細(xì)胞治療IDD在臨床上已取得初步成功,但仍有許多問題有待解決,需要更多的基礎(chǔ)研究和臨床試驗(yàn)來尋找干細(xì)胞分化的潛在分子機(jī)制、理想的細(xì)胞來源及類型、優(yōu)化的移植物和移植方法等。隨著研究的不斷深入,相信干細(xì)胞可以為IDD患者提供更多的選擇和幫助。