作者：河北医科大学第三医院关节外科     田思嫚

骨关节炎（OA）是常见的慢性退行性关节疾病之一，以关节软骨退行性变和骨赘形成为特征，导致关节疼痛和活动障碍，严重影响患者生活质量。目前临床上主要采用药物和手术治疗OA，但均不能阻断OA进展。因此，找到新的治疗策略来预防OA的发生、发展是当前亟待解决的问题。近年来，干细胞治疗OA成为了研究热点。许多人体组织，包括骨髓、脂肪组织、滑膜和脐带血，都是众所周知的间充质干细胞（MSCs）的来源。MSCs具有自我更新和多向分化能力，在适宜的环境下可分化为软骨细胞，促进软骨修复。

研究证实，人脐带血来源的间充质干细胞（hUCB-MSCs）比骨髓来源的MSCs具有更高的增殖性和分化潜力，因此学者普遍认为hUCBMSCs可作为一种更有效的治疗OA的细胞来源。本文针对hUCB-MSCs在OA治疗中的相关机制和应用进展作一综述，以期为其将来在临床上应用提供理论依据及技术支持。

hUCB-MSCs介绍

人类脐带的结构组织包括3条未分支的血管，2条动脉和1条静脉，包裹在一种名为华通胶的基质结缔组织中。hUCB-MSCs存在于脐带的华通胶中，具有较高的分化潜能，在特定条件下可促进其分化为软骨细胞。与其他来源的干细胞相比，hUCBMSCs具有以下优势：（1）从脐带血中分离MSCs，是一个无创的过程，易于获取，而且收集好的干细胞可以长时间冷冻保存，不会失去活性及功能；（2）hUCB-MSCs在体内和体外均具有较低的免疫原性，移植细胞的排斥反应不明显；（3）骨髓来源间充质干细胞（BM-MSCs）的增殖和分化能力随着捐赠者年龄的增长而下降，而hUCB-MSCs来源于新生儿脐带，有着更优的增殖性和分化能力。

hUCB-MSCs治疗OA的机制

hUCB-MSCs再生软骨的特性      骨性关节炎最早、最主要的病理变化发生在软骨，关节软骨发生退变、变形、磨损、消失，且其修复能力非常低，因此早期治疗软骨缺损以减缓OA的进展非常重要。有研究显示，在软骨培养基中培养的hUCB-MSCs分泌大量的聚集蛋白和II型胶原，并表达SOX-9转录因子，表明其具有软骨细胞的一些特征。细胞外基质（ECM）分子的沉积和基质金属蛋白酶（MMPs）及其抑制剂（TIMPs）的调控是软骨ECM合成的主要机制。Zhou等的研究表明，与OA模型组大鼠相比，经hUC-MSCs处理的OA大鼠软骨组织中MMP-13的表达与下调，显示出较低的MMP-13/TIMP-1生成比率。Kim等评估了hUCB-MSCs联合软骨脱细胞基质注射液（CAM注射液）治疗山羊OA的有效性，结果表明，CAM可以诱导hUCB-MSCs的分化，与单独使用hUCB-MSCs相比，联合治疗对于改善OA症状和诱导软骨组织修复效果更显著。

在临床研究中，Chung等探讨了膝骨性关节炎（KOA）患者在接受胫骨高位截骨术（HTO）治疗后植入同种异体hUCBMSCs的软骨再生情况，于术后1年，在取出钢板时进行二次关节镜检查，结果显示，软骨状态有所改善。Park等研究了hUCBMSCs联合透明质酸（hyaluronicacid,HA）在接受HTO治疗全层软骨缺损的膝关节OA患者中的临床疗效，结果显示，10例患者在术后至少1年的二次关节镜检查中均观察到组织修复。

此外，有研究表明，hUCB-MSCs在成软骨分化能力方面优于骨髓等其他来源的干细胞。BM-MSCs在植入后发生骨赘形成；脂肪间充质干细胞在植入后显示软骨修复能力下降；而Park等的研究表明，在15只大鼠中植入hUCB-MSCs后，软骨修复良好，在长达8周的时间里没有出现骨赘形成或软骨退行性改变。Lee等比较了骨髓浓缩物（BMAC）和hUCBMSCs在HTO治疗的OA患者中的软骨再生效果，发现hUCB-MSCs植入组更有效，而且在第二次关节镜检查时，hUCBMSCs组的国际软骨修复协会（ICRS）评分明显高于BMAC组，因此认为hUCB-MSCs在软骨再生方面比BMAC有更强的效果。Ryu等测量了分别用BMAC和hUCB-MSC治疗膝关节OA患者后的软骨修复状态，在1年和2年随访的结果中，hUCB-MSC组要优于BMAC组。Yang等将hUCB-MSC和兔骨髓来源间充质干细胞（rBM-MSC）移植到新西兰大白兔OA模型的软骨缺损处，移植4周后，hUCB-MSC组和rBM-MSC组软骨缺损部分被未分化组织填充，模型组未出现新生修复组织；8周后，hUCB-MSC组软骨缺损明显减少，缺损约为之前的1/2，rBM-MSC组新生的修复组织约占缺损面积的1/3，这表明hUCB-MSCs和rBM-MSCs均能在一定程度上修复软骨损伤，其中hUCB-MSCs组修复速度更快，效果更好。综上所述，已经有许多动物实验及临床试验证实了hUCB-MSCs在软骨修复与再生中的作用，而且其效果预计比传统的干细胞治疗或其他软骨修复手术会更好。

hUCB-MSCs的免疫调节和抗炎作用     当关节受到损伤时，会引起细胞应激和ECM降解，可激活适应性不良修复反应。为了应对关节损伤，局部免疫过程开始发挥作用，引起慢性的、低级别的炎症，这种炎症会阻碍软骨细胞的增殖和细胞基质的沉积，导致软骨修复效率低下，从而导致关节退行性变。hUCB-MSCs的免疫调节和抗炎特性已被广泛描述。

在供体与受体不同的情况下，免疫细胞可以通过免疫突触被激活。该突触涉及主要组织相容性复合体II类（MHCII）以及共刺激分子（CD40、CD80和CD86），激活并将抗原呈递给T细胞。hUCB-MSCs既不表达MHC-II，也不表达这些共刺激分子，因此，它不能激活T细胞，于是可以逃离受体的免疫系统，从而在异体环境中发挥作用。此外，hUCB-MSCs可以分泌许多其他可溶性因子，如生长因子、细胞因子、趋化因子或免疫分子，这些可溶性因子将作为抑制NK细胞和T细胞增殖的介质，从而产生免疫抑制环境。

随着OA病情的加重，IL-1β、IL-6等炎症介质水平升高，可显著促进软骨细胞中MMPs的释放和表达，从而导致慢性炎症、关节炎和关节损伤加重，这提示炎症介质在OA发病过程中发挥重要作用。hUCM-MSCs已被证实可以抑制活动性炎症，防止进一步软骨退变。Kim等评估了使用hUCM-MSCs对兔颞下颌关节骨关节炎模型的治疗效果，结果显示，hUCM-MSCs处理组促炎细胞因子TNF-α、IL-1β、IL-6和IL-17的表达水平显著降低，而抗炎细胞因子TGF-β1、IL-10和IL-1RA的表达水平升高。Zhou等在大鼠OA模型中证实，hUC-MSCs可显著降低IL-1β、IL-6和MMP-13的水平，恢复MMPs/TIMPs的平衡，促进II型胶原的形成。在另一项大鼠OA模型中，发现hUC-MSCs可以减少滑膜炎症细胞的浸润，如CD4+T细胞和巨噬细胞，并显著降低IL-1β和TNF-α的表达，同时增加抗炎因子TNF-α-诱导的蛋白6和IL-1RA的表达水平。

hUCB-MSCs通过其外泌体发挥作用     MSCs再生特性的发挥主要归因于其旁分泌活性，与储存在MSCs衍生的外泌体中的生长因子和其他生物活性分子直接相关。这些外泌体可以被分离出来并应用于“基于干细胞的无细胞治疗”。外泌体是一种双层膜结构的细胞外囊泡，几乎所有细胞都能分泌。目前认为，外泌体富含RNA和蛋白质，可以作为信使，通过多种途径传递到受体细胞，影响受体细胞的基因表达，调节细胞功能，促进或改善疾病的进展。研究表明，外泌体可以广泛参与软骨细胞之间的信息传递，调节软骨细胞的生理功能。在一项小鼠OA模型的研究中，hUC-MSCs衍生的外泌体（hucMSCs-EXOs）已被证实能够抑制巨噬细胞促炎因子的分泌，抑制AD⁃AMTS5和MMP13的过表达，减少软骨ECM的降解，抑制软骨细胞凋亡，从而缓解小鼠OA的进展。此研究认为，其作用机制是hucMSCs-EXOs通过miR-1208与METTL3相互作用后，降低巨噬细胞NLRP3mRNA的m6A水平，从而发挥其抗炎及软骨再生作用。Li等将巨噬细胞与hucMSCs-EXOs共培养24h，发现hucMSCs-EXOs刺激可显著上调M2型巨噬细胞标记物的mRNA表达，而下调M1型巨噬细胞标记物的mRNA表达，说明hucMSCs-EXOs可有效促进巨噬细胞向M2型巨噬细胞极化；此外，他们检测了M1和M2巨噬细胞产生的细胞因子，结果显示，给药后抗炎症相关因子IL-10的表达水平升高，促炎症相关因子IL-1和IL-6的表达水平显著降低。同时，他们还建立了OA大鼠模型，给予huc⁃MSCs-EXOs治疗后，发现有效抑制了炎症并防止软骨降解，其机制可能是通过传递关键蛋白和调节miRNAs介导的PI3K-Akt信号通路，促进M2巨噬细胞极化来发发挥作用。

hucMSCs-EXOs能在疾病治疗中发挥作用，与其携带的microRNAs（miRNAs）有关。有研究表明，miR-181c在hucMSCs-EXOs中高表达。Zhang等将hucMSCs-EXOs与BM-MSCs共培养，研究结果显示，hucMSCs-EXOs可被BMSCs内化，促进BMSCs的增殖、迁移和软骨分化潜能，这种作用可能是通过将miR-181c-5p转移到BM-MSCs中来抑制其靶基因SMAD7的表达，最终促进对损伤软骨的修复。

此外，还有研究比较了hucMSCs和hucMSCsEXOs对OA的治疗效果。Tang等将hucMSCs和hucMSCs-EXOs分别注入OA大鼠膝关节，观察到两组OA大鼠关节软骨都得到一定程度的修复，但huc⁃MSCs-EXOs治疗组关节表面更光滑；他们又通过免疫组化染色来明确软骨基质合成蛋白（COLII）、MMP13和ADAMTS5的表达，结果显示，两组基质中COLII表达明显升高，MMP13和ADAMTS5阳性细胞的百分比也明显低于对照组，这些数据表明，两种治疗药物通过控制软骨ECM合成代谢和分解代谢参与关节软骨稳态，且hucMSCs-EXOs促进软骨基质合成蛋白生成的能力优于hucMSCs。Miriam等比较了通过慢病毒转染抑制miR-21的MSC和它们的EXOs在OA大鼠模型体内对抗炎症的效果，发现EXOs是降低OA大鼠血清中趋化因子和细胞因子的最有效治疗方法，与单独使用MSC相比，具有统计学意义。因此，hucMSCs-EXOs有望成为无细胞治疗OA的新策略。

hUCB-MSCs治疗OA的安全性

hUCB-MSCs凭借自身的优势，已经成为再生医学的新候选者，但在开发基于MSCs的治疗方法时，安全性是首要考虑的问题。到目前为止，hUCBMSCs疗法的安全性已经在多个研究中进行了测试，并发现通常是安全的。Chung等将同种异体hUCB-MSCs植入经过HTO治疗后的KOA患者膝关节中，术前检查显示，所有膝关节均有ICRSIV级软骨损伤，第二次关节镜检查软骨再生情况有所改善，术后随访至少1年，没有发现任何明显的不良反应。Matas等探讨了单次和多次注射hUCB-MSCs对KOA患者的安全性和有效性，在12个月的随访期间，未发生死亡、永久性残疾、肿瘤或脓毒性关节炎等严重不良反应；病例中常见的不良反应是急性滑膜炎和疼痛，但这些不良反应均为短暂性，休息或口服非甾体类抗炎药可以缓解。Samara等在超声引导下采用关节内注射hUCB-MSCs治疗KOA，对16例晚期KOA患者使用两剂hUCB-MSCs治疗，两次治疗间隔1个月，并对这些患者进行了至少4年的随访，期间没有观察到任何局部或全身的长期不良事件；在12和48个月时随访时功能和疼痛改善，12个月时MRI扫描中软骨丢失、骨赘、骨髓病变、积液和滑膜炎的情况均改善，软骨下硬化的改善非常显著，这表明通过关节内注射hUCB-MSCs对KOA患者是安全有效的。总体来看，hUCB-MSCs治疗OA临床疗效可观，且具有良好的安全性，但干细胞疗法仍处于临床试验阶段，大多数研究随访期较短，所以仍需更多循证医学支持。

小结与展望

综上所述，目前的研究表明，hUCB-MSCs及其外泌体与其他来源MSCs相比，具有无创采集、易于获取、可长时间保存、低免疫原性和高增值性等许多优势；并且有研究证实，hUCB-MSCs在临床应用中软骨修复能力更好，且没有出现骨赘形成或软骨退变的现象，因此被认为是治疗OA很有前景的候选者。现有结果已经证实了hUCB-MSCs治疗OA的有效性和安全性，它通过促进软骨再生，调节免疫微环境，抗炎作用以及旁分泌作用等机制来缓解OA进展。但是现有的大多临床试验存在样本量少、随访时间短等不足，因此还需要更多的临床研究来促进此治疗方法的成熟。目前对于hucMSCs-EXOs治疗潜力的研究仍处于初步阶段。首先大多数研究的对象局限于小动物模型，缺乏大动物实验模型和临床研究证据；其次，外泌体参与细胞间通讯是通过传递特定的生物活性分子来实现的，然而迄今为止，除miRNAs之外，其他生物活性分子在OA中起作用的详细机制尚不清楚。此外，对于hUCB-MSCs最佳治疗剂量、注射频率、植入方式、外泌体提取和保存等问题仍未达成共识。因此，还需要进行更深入的研究来明确这些问题，建立相应的标准化路径，为hUCB-MSCs及其外泌体治疗OA提供充分的依据。

来源：中国矫形外科杂志2025年1月第33卷第1期

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