关节软骨组织再生修复技术新进展

关节软骨组织再生修复技术新进展
关节软骨损伤的修复是一个长期困扰的医学难题，生物移植和组织工程技术的发展为软骨再生修复带来新的希望，利用负载生长因子的特殊可降解软骨支架材料调动内源干细胞来实现软骨组织再生修复的新技术，易于实现产业化操作，也预示着软骨缺损的再生修复治疗一个全新时代的到来。

标签：关节软骨修复；软骨组织工程；滑膜间充质干细胞；可降解生物材料支架
软骨组织内无血管，软骨细胞在无血运环境中缺乏迁徙能力。

因此，关节软骨一旦遭到破坏，便很难得到修复。

目前，关节软骨缺损的修复仍缺乏理想有效的方法。

临床上关节病变患者的巨大需求，促使研究者不断探索可行的方法。

1 传统刺激方法促进再生修复
1.1 软骨下骨钻孔、软骨磨蚀和微骨折
这类方法可使骨髓中的软骨源性、骨源性细胞及细胞因子渗透到软骨损伤区域，促进软骨细胞的分化，产生纤维软骨。

这类方法操作简单，对于小面积软骨损伤的治疗结果在某种意义上相对比较满意，在临床上被广泛应用。

但研究同时表明，软骨磨蚀、骨髓刺激等软骨愈合形成的纤维软骨组织与透明软骨是不同的，不仅机械性能逊色于关节软骨，而且容易退化[1]。

1.2 持续被动运动
持续被动运动作为一种促进软骨愈合的辅助手段在临床上广泛运用。

大量的动物实验和临床研究证实，持续被动运动（CPM）能促进较小的软骨全层缺损修复，产生一种在形态上、组织化学上类似透明软骨的组织，但对关节软骨表浅缺损没有明显的修复作用[2]。

1.3 玻璃酸钠注射
关节腔内局部注射关节黏弹性补充剂——玻璃酸钠已在临床上得到广泛认可。

其不仅可以提供关节黏弹润滑作用，恢复关节滑液流变学特性，还能产生一系列有益的生物学效应，有助于关节软骨组织的修复。

宋一平等[3]使用关节腔内注射几丁糖治疗骨关节炎近期疗效满意，远期疗效尚待进一步随访，作用机制尚待进一步研究，但从临床上看确有治疗价值。

目前尚未发现治疗修复广泛性关节软骨损伤的有效药物。

2 组织和细胞移植
2.1 软骨组织移植
软骨组织移植是最直接的软骨修复方法，即取自体健康软骨修剪成合适的形状后再重新植回体内，或以自体软骨膜、异体骨膜移植，或异体骨软骨片移植等，都取得了一定疗效。

自体软骨来源有限，且容易造成供区缺损；异体软骨被广泛应用，但可引起免疫排斥反应而导致细胞死亡及功能丧失；骨膜移植则存在远期效果不稳定、再手术率高的缺陷。

2.2 自体细胞移植
自体关节软骨细胞移植可以避免免疫反应和传染的问题。

自体软骨细胞移植术（ACI）在国外被广泛应用，目前国内医院也开始开展。

ACI，即从自体采取关节软骨细胞，在体外培养扩增后再移植到软骨缺损部位，最终形成再生组织。

1995年美国FDA批准ACI用于临床。

1997年，美国FDA批准Genzyme（健赞）公司的商业化ACI技术产品Carticel用于临床。

其过程为：外科医生摘取患
者健康软骨组织，Genzyme公司实验室分离软骨细胞并培养扩增后包装，经再次手术输注到受损软骨部位并以骨膜封闭。

每支Carticel成品瓶包含约1.2×109个细胞可用于≤7 cm2软骨损伤面积，2支Carticel成品可用于7～14 cm2的面积。

ACI在过去10余年治疗关节软骨损伤患者约15 000人，国外报道其优良率为87%，部分患者症状缓解及功能恢复。

2000年，Bentley对ACI与其他软骨修复方法进行比较研究，结果显示，ACI的修复效果与微骨折法比较并没有明显的差异，引起了很大的争论[4]。

ACI的主要并发症有骨膜钙化、细胞流失、移植物分离、移植的骨膜发生异位化骨和细胞培养添加的血清可能引起的过敏等[5]。

另外，ACI形成的再生组织常形成纤维化软骨，降解迅速。

2.3 异体细胞移植
2.3.1 异体软骨细胞移植异体软骨细胞移植可以解决软骨细胞来源不足的缺点，与自体移植相比，可以减少患者损伤。

Boopalan PR等[6]在家兔体内进行异体软骨细胞移植取得了良好的效果，但仍需面对免疫反应和交叉传染风险的问题。

Fragonas E等[7]研究了藻酸盐凝胶混合同种异体软骨细胞体内修复全层损伤的兔关节软骨，4～6个月后，软骨细胞移植物完全修复缺损，并恢复到正常的组织结构。

2.3.2 间充质干细胞（MSCs）移植MSCs在骨髓、骨膜、软骨膜等组织均大量存在，它具有多向分化潜能，在特定的条件下可分化成软骨细胞、成骨细胞、成纤维细胞等。

MSCs的特性使之成为软骨组织移植常用的种子细胞[8]。

Wakitani S等[9]用自体骨髓间充质干细胞（BMSCs）移植修复患者膝关节的全厚度关节软骨缺损2例。

移植6个月后，患者临床症状明显改善，1例维持了5年9个月，另1例维持了4年。

自De Bari 2001年首次报道从滑膜组织分离出滑膜间充质干细胞（SMSCs）以来，以其明显优于BMSCs的高度软骨分化潜能成为关节表面软骨缺损修复中最满意的种子细胞。

Koga H等[10]将兔SMSCs移植入软骨缺损区，并用骨膜覆盖，修复滑车沟全层软骨缺损。

24周后透明软骨样组织成功替代了原来的软骨缺损，免疫组化和透射电镜证实分化的细胞分泌Ⅱ型胶原，生成的组织为透明软骨。

Hui JH等[11]在动物实验中比较了软骨细胞、MSCs、骨膜、自体骨软骨移植修复软骨缺损，发现软骨细胞和MSCs修复效果较好，自体骨软骨修复其次，骨膜移植物修复相对差一些。

3 软骨组织工程修复
3.1 基质诱导的自体软骨细胞移植技术（MACI）
MACI技术（Matrix-ACI）是在ACI技术上基础上发展来的，其原理同样是取软骨组织分离软骨细胞培养扩增，但MACI将软骨细胞在体外种植于生物材料支架上使细胞固定，从而提高了术后软骨细胞的存活率，纤维蛋白胶将材料支架粘合在缺损部位代替了ACI的骨膜缝合封闭，减少了细胞泄漏和分布不均。

MACI与传统ACI技术相比具有术后恢复时间短、操作简便、创伤小、有更多透明软骨生成等优点。

Bartlett等采用MACI膜镶嵌技术治疗78例软骨损伤患者，结果显示所有患者6个月内症状均得到改善，术后1年得到进一步改善。

磁共振成像显示，75％再生组织为透明状软骨，无并发症发生[4]。

3.2 间充质干细胞软骨组织工程
SMSCs传代繁殖能力强，连续多次传代仍可保持良好的增殖分化特性，与基质材料复合植入体内后可形成良好的透明样软骨，并在软骨下区形成骨组织，
从而达到很好的整合[8]。

Pei M等[12]将兔SMSCs接种于聚乙醇酸（PGA）支架中，在体外经TGF-β1、FGF-2和IGF-1协同刺激诱导，1个月后植入兔异体股骨内髁软骨全层缺损处，６个月后发现有透明软骨样组织充填，且与周围正常软骨整合良好。

免疫组化发现Ⅱ型胶原和GAG高表达，未引起排异反应。

周晓中等[13]以高分子复合体为支架的BMSCs修复兔关节软骨缺损，结果表明BMSCs-PGA-HA复合体植入后形成稳定的透明软骨样修复组织及软骨下骨，再生组织与周围软骨及软骨下骨融合较好，32周后无明显退变。

李文辉等[14]将含有藻酸钙的体外扩增的自体BMSCs及IGF-1＋TGF-β1的复合材料注射于兔膝关节股骨内髁负重区的骨软骨缺损区，发现有正常透明软骨样组织形成，软骨下骨修复良好。

4 基于内源性干细胞的软骨组织修复
几乎所有的成人组织类型都发现了MSCs，它们具有对附近的缺损组织信号响应、迁移、功能分化和组织修复的能力[15]。

作为对关节软骨缺损的响应，内源性的SMSCs细胞具有向软骨缺损部位迁移、聚集和软骨修复的潜在能力[16]。

与其他来源的MSCs相比，SMSCs具有更高的软骨化潜力[17]。

Stone等设计了一种用作半月板再生的胶原支架，植入10位患者的膝关节，术后6个月关节镜检查，发现新生成的软骨组织替代了已被吸收的原植入物[18]。

Sellers等应用浸泡5 mg的重组人BMP-2的胶原海绵治疗骨软骨缺损获得了成功，术后24周愈合软骨的厚度达相邻正常软骨的70％，并在新生软骨与软骨下骨之间形成了新的愈合潮痕（Tidemark）[19]。

赵鹏等[20]开发了一种含有多生长因子的新型可降解生物材料支架，模仿体内软骨再生的环境因素，植入膝关节损伤部位实现软骨的功能再生。

首先以明胶、改性壳聚糖为主要原料制备高弹性、多孔的三维基质材料，然后采用超分子层层纳米自组装技术负载HGF、BMP-2、IGF-1、IGFBP-3等多种生长因子，通过生长因子在不同时间和空间的渐次释放来控制内源SMSCs修复软骨组织全过程。

激活内源SMSCs使其向缺损部位迁移、增殖和分化，最终在体内实现软骨缺损的原位诱导自修复。

该新型可降解支架植入新西兰兔的膝关节髁间沟骨软骨缺损模型6周后，多种生长因子支架试验组显示缺损几乎全部愈合，而单一生长分子支架试验组则没有完全愈合[17]。

5 小结
目前临床探索中的软骨组织再生修复技术，除了疗效和安全的考量外，由于大多需要活组织或活细胞操作，难以大范围推广和产业化。

鉴于质量和安全控制的难度，国内外医药监管当局对此类技术和产品的批准异常谨慎。

而含有多生长因子的新型可降解支架再生修复技术，在技术操作和形成规模化产品上具有突出的优势，将会对软骨组织工程领域产生颠覆性影响。

它不但加强了对支撑软骨再生的环境因素和生物材料特性的理解，而且通过调控负载的生长因子引导机体对内源性软骨组织和功能再生的响应，对软骨缺损的药物治疗和细胞治疗提出了一个全新理念，预示着软骨缺损的再生修复治疗一个全新时代的到来。

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