换关节?换软骨!骨关节炎的新希望

早在2000年,时任联合国秘书长Kofi Annan倡导,21世纪的第一个十年是“骨与关节的十年”,旨在推动人们对骨与关节疾病,尤其是骨关节炎的认识与关注。据估计,到2020年,全球50岁以上老龄人口将比目前翻一番,其中50%的老人都受到骨关节炎(Osteoarthritis)的困扰。目前对骨关节炎治疗最有效的方法是人工关节置换术。但是,因为感染性炎症、磨损碎屑导致的慢性非感染性炎症等原因,目前的人工关节寿命仅为10~15年。另外,由于人工关节假体不能随着宿主骨的变化而塑形,长期使用后不能适应新骨的动态变化,必然会导致松动,这似乎是人工关节的死穴。对于那些年龄低于65岁,以及需要使用更长时间的年轻患者来说,这将意味着他们不得不接受翻修手术,而翻修后的效果通常远逊于首次植入。以上的种种问题使人们需要寻找新的突破口,而组织再生技术则提供了一种新的视角。

组织再生的通常手段是体外细胞输送(cell delivery)。所谓细胞输送,就是在体外培育足量的干细胞,然后通过直接注射或者粘附于基质上的方式将其转移到体内,以发挥修复组织的作用,犹如在人体境外训练好细胞军队,然后空降到战场一样。虽然这种方法在很多领域都展示出了替代损坏的细胞组织的前景,但是在转化成临床治疗手段时却遭遇了许多障碍。比如,每一种组织都是有两种甚至多种不同的干细胞分化而来,而实际上,我们在体外同时培育出两种不同的干细胞形成紧密、有序的组织是很困难的。人们还不能在体外培养出结构完整的成熟组织。其他问题还涉及从免疫排斥、抗原呈递、潜在致癌性,到包装、储存、运输环节,以及临床使用和调控方法等一系列瓶颈。

在Lancet杂志发表的《通过细胞归巢实现兔子滑膜关节软骨的再生:概念性研究的一项有力证据》一文中,美国Columbia大学医学中心组织工程与再生医学实验室的Chang H Lee博士等人证明,通过体内细胞归巢(cell homing)的方法就能完成兔子滑膜关节软骨的再生过程,而不需要人工细胞输送(cell delivery)。

所谓细胞归巢是指体内的细胞可以通过信号转导、趋向性地迁移、粘附等方式,最终定位于特定靶组织的过程,就像人体内的细胞士兵接到命令后,自动开赴前线去作战一样。通过这种方式,Chang H Lee成功跨越了这些障碍,不仅为解决年轻患者关节置换寿命问题带来了曙光,也为干细胞和组织再生技术的临床应用开辟了全新的思路和前景。

研究者选择骨骼已完全发育成熟的兔子(骨骺已闭合)为实验对象,用激光扫描来获取兔子近端肱骨关节表面数据,并在计算机中重建其三维形态,然后用聚ε-己内酯(poly-ε-caprolactone)和羟基磷灰石(hydroxyapatite)复合物制造解剖上与之相符的生物支架(bioscaffold),并在支架中充填上含有TGFβ3(转化生长因子β3,一种具有促进细胞粘附以及分化作用的细胞因子)或不含有TGFβ3的胶原水凝胶(hydrogel)。他们通过手术完全切除其近端肱骨头的关节软骨,然后为它们置换上含有或不含有TGFβ3的生物支架。在实验第1~2周、3~4周、5~8周时分别评估兔子的运动和负重情况。术后4个月时,手术取出再生的软骨组织,用以评估表面裂痕、厚度、软骨细胞数量、Ⅱ型胶原蛋白和蛋白多糖(aggrecan)的含量,以及其他机械性能。

研究人员把兔子随机分成3组,包括实验组、对照组和空白组,所有兔子的近端肱骨头软骨都被完全切除。实验组10只兔子,进行了含TGFβ3的生物支架植入,对照组10只兔子接受了不含TGFβ3的生物支架物植入,空白组3只兔子进行了肱骨头切除术,而未植入生物支架。我们来看这一实验的神奇结果:

①实验组所有动物术后3~4周即可开始完全负重和运动,比对照组运动更加频繁和持续,而空白组动物则一直保持跛行状态;

②术后4个月,含TGFβ3的实验组假体支架物的关节面已被透明软骨完全覆盖,不含TGFβ3的对照组假体关节面仅有局部的软骨形成,而在空白组则没有软骨形成;

③实验组的再生软骨与对照组相比,在Ⅱ型胶原蛋白以及蛋白多糖基质中的软骨细胞分布更加均匀一致,并且厚度更大(p=0.044),密度更高(p<0.0001),具有显著差异;

④实验组软骨的压缩性能以及剪切性能与正常软骨无显著差异,却比对照组再生软骨的表现明显更好;

⑤所有的再生软骨都是无血管的,其再生的软骨下骨质含有丰富的血管网,但实验组再生软骨中,通过TGFβ3归巢的干细胞比对照组无TGFβ3而自动归巢的干细胞大约多130%。

在随后的讨论中,作者谈到,该实验的结果表明:滑膜关节的透明软骨可以通过细胞归巢的方法来实现,同时两种不同的组织(无血管的透明软骨和血管丰富的软骨下骨质)都得到了再生,很好的解决了体外培养多种干细胞的问题。他们进一步的分离了再生软骨和软骨下骨质中的细胞,并通过对蛋白表达的分析,认为这两者的细胞来源是不同的。前者可能来源于滑膜干细胞或前体细胞,而后者来源于骨髓干细胞或前体细胞。作者还指出,本实验的成功可能归功于生物支架(bioscaffold)的多孔结构,其含有直径200~400μm互相通连的微管单位,使得归巢来的干细胞得以存活。

研究者们正试图用这种方法开展治疗骨性关节炎的临床实验。也许,在不久的将来,患者将获得完好如初的关节软骨,而不是寿命有限的人工关节。不仅如此,正如作者在文章最后所指出的那样,既然关节软骨如此难以修复的组织都可以再生,我们有理由相信,其它组织也可以通过细胞归巢的方法实现,从而为创伤、骨坏死、骨肿瘤等患者带来福音。

来源:《柳叶刀》杂志2010-8-27
Chang H Lee, James L Cook, Avital Mendelson, et al. Regeneration of the articular surface of the rabbit synovial joint by cell homing: a proof of concept study. The Lancet, Vol. 376 No. 9739 pp 440-448.
Patrick H Warnke. In-vivo tissue engineering of biological joint replacements. The Lancet, DOI:10.1016/S0140-6736(10)60931-2.

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