新方法:细胞疗法能治疗腰腿痛吗?

腰痛(low back pain, LBP)是一种疼痛科门诊常见症状，人们终生患病率约为 60%～70%，不仅给人们带来极大痛苦，也给社会造成了沉重的经济损失。随着人类预期寿命的增加，由腰痛引起的残疾和支出还将进一步增加。由于腰痛带来的巨大损失，很有必要对腰痛的病理生理过程及治疗方法进行深入研究。约 40% 的慢性腰痛与椎间盘退变 (intervertebral disc degeneration, IDD) 密切相关，称为椎间盘源性腰痛。

 

Prince MJ, Wu F, Guo Y, et al. The burdenof disease in older people and implications for health policy and practice[J].Lancet (London, England), 2015, 385(9967):549-562

 

椎间盘退变为什么会引起腰腿痛

 

椎间盘由髓核、纤维环和软骨终板组成。髓核中蛋白聚糖带有大量阴离子，渗透压高，可吸水膨胀将压缩负荷转化为对纤维环的拉伸作用，纤维环则起到张力“皮肤”的作用以限制髓核膨胀。退行性椎间盘疾病源于遗传因素和环境之间的相互作用。椎间盘退变始于髓核，早期改变为髓核中蛋白多糖降解增加。这使得髓核含水量降低，生物力学性能减弱，所能承担的压缩负荷减小，更多负荷直接作用于纤维环。由于纤维环的结构特点，其抵抗压缩的能力远不如抵抗拉伸的能力，因承受了较大的压缩负荷，纤维环结构发生破坏，纤维环整体膨胀，超过终板边界，造成影像学上的椎间盘膨出。随病变进展，内层纤维环先行破裂，造成包裹性椎间盘突出，进而外层纤维环也发生破裂，髓核完全突破纤维环，引起非包裹性椎间盘突出。凸入椎管或侧隐窝区域的髓核可能压迫马尾和神经根，引起疼痛、运动障碍等症状。因椎间盘本身缺乏血液供应，一旦变性、损伤，很难自我修复。

 

Dowdell J, Erwin M, Choma T, et al.Intervertebral disk degeneration and repair[J]. Neurosurgery, 2017,80(3S):S46-S54.

 

什么是细胞疗法

 

髓核内常驻细胞通过维持细胞数量和细胞外基质以维持髓核的正常功能，而退变椎间盘以细胞减少、细胞外基质丢失和高度降低为标志有人提出椎间盘退变与髓核细胞丢失有关，在各种因素作用下，髓核细胞功能减退，细胞外基质合成代谢和分解代谢之间的平衡被破坏，蛋白多糖含量减少，II 型胶原逐渐被 I 型胶原取代，髓核组成成分改变，椎间盘功能减退并可能引发盘源性腰痛。由于髓核细胞起到了维持椎间盘稳态的重要作用，细胞疗法为治疗退行性椎间盘疾病提供了一种潜在的解决方案。这种治疗策略是指将健康细胞输送到椎间盘中，以补充丢失的细胞并增加蛋白多糖和胶原的含量，进而恢复椎间盘正常的组织结构和生物力学功能。用健康细胞治疗椎间盘退变的目的是移植能够分泌功能性细胞外基质的细胞以恢复组织稳态，或移植具有免疫抑制和抗炎特性的干细胞治疗炎症。

 

Buckwalter JA. Aging and degeneration ofthe human intervertebral disc[J]. Spine, 1995, 20(11):1307-1314.

 

Maidhof R, Rafiuddin A, Chowdhury F, et al.Timing of mesenchymal stem cell delivery impacts the fate and therapeuticpotential in intervertebral disc repair[J]. J Orthop Res, 2017, 35(1):32-40

 

常用哪些类型细胞

 

1. 髓核细胞： 细胞疗法最先应用的细胞为自体髓核细胞(nucleus pulposus cells, NPCs)。一项为期 2 年的临床试验以评估自体椎间盘软骨细胞移植在人群中的长期疗效，结果显示接受髓核细胞移植的病人疼痛减轻，椎间盘含水量高于对照组。然而 NPCs 移植存在诸多缺陷。椎间盘中细胞数量较低，其功能在退变过程中会逐渐减退，退变椎间盘分离得到的髓核细胞表现出早衰和分解代谢表型。因此髓核细胞来源有限、质量欠佳，不是理想的细胞来源。同时自体椎间盘细胞移植技术仅适用于接受椎间盘切除手术的病人，在椎间盘退变的早期进行椎间盘细胞移植可能会取得更好效果，但对这些病人行椎间盘切除手术可能会加速退变。基于这些原因，NPCs 并不适合作为移植细胞。

 

Sakai D, Grad S. Advancing the cellular andmolecular therapy for intervertebral disc disease[J]. Adv Drug Deliv Rev, 2015,84:159-171

 

2. 间充质干细胞 (mesenchymalstem cells, MSCs)：是一个多潜能细胞的异质性群体，具有多能性，可向成骨、成软骨、成脂肪等方向分化，有修复受损组织的潜力，是目前在骨组织工程中应用最为广泛的成体干细胞。研究表明 MSCs 可分化为髓核细胞样表型，有望成为椎间盘修复的理想细胞来源。

 

Pittenger MF, Mackay AM, Beck SC, et al.Multilineage potential of adult human mesenchymal stem cells[J]. Science, 1999,284(5411):143-147.

 

（1）骨髓源性 MSCs：缺氧环境和转化生长因子β (transforming growth factor-β, TGF-β) 可使骨髓源性MSCs(bone marrow-derived mesenchymal stem cell, BM-MSCs) 分化为髓核细胞 样表型。随机对照试验发现将BMMSCs 注入退变椎间盘后，病人的各项功能指标均有显著改善。MSCs 可通过调节促炎和抗炎途径减缓细胞早衰。BM-MSCs 能分泌细胞生长因子，抑制炎症反应，且疗效持久。

 

Lerrer S, Liubomirski Y, Bott A, et al.Co-inflammatory roles of TGFβ1 in the presence of TNFα drive a pro-inflammatoryfate in mesenchymal stem cells[J]. Front Immunol, 2017, 8:479

 

（2）脂肪源性 MSCs：脂肪源性 MSCs (adiposederived mesenchymal stem cells, AD-MSCs) 来源丰富， 获取方式简便，可分化为脂肪细胞、软骨细胞、成 骨细胞等，也有望成为治疗椎间盘退变的种子细胞。 在 II 型胶原的刺激下，AD-MSCs可 分化为髓核样细胞，临床研究证实了 AD-MSCs 和 HA 衍生物联合注射疗法的安全性和耐受性：实验组病人疼痛改善，椎间盘含水量增加，初步验证了该疗法的有效性。

 

Kumar H, Ha DH, Lee EJ, et al. Safety andtolerability of intradiscal implantation of combined autologous adipose-derivedmesenchymal stem cells and hyaluronic acid in patients with chronic discogeniclow back pain: 1-year follow-up of a phase I study[J]. Stem Cell Res Ther,2017, 8(1):262.

 

尽管目前 MSCs 应用广泛，也有很多积极的研究结果表明其在修复退变椎间盘方面很有希望，但退变椎间盘低氧和炎症环境下的低细胞存活率、细胞渗漏可能导致赘生物形成等问题是目前 MSCs 治疗所面临的主要挑战。

 

Hunt CL, Shen S, Nassr A, et al. Currentunderstanding of safety and efficacy of stem cell therapy for discogenic pain-Asystematic review of human Studies[J]. Techniques in Regional Anesthesia andPain Management, 2015, 19:32-37.

 

（3）椎间盘祖细胞：椎间盘的微环境较为极端，如营养缺乏、高渗透压和酸性 pH 等，这些环境不利于细胞生存。移植到椎间盘内的 MSCs 基质蛋白表达和增殖下降。人退变椎间盘中存在祖细胞的发现意味着椎间盘中可能包含一个静止的祖细胞样群，激活这些祖细胞可用于椎间盘的再生。由于 MSCs 是一种组织特异性多能祖细胞，具有独特的表达谱，反映了其起源和微环境，由此推测椎间盘祖细胞可能比非椎间盘来源的 MSCs 在髓核细胞分化方面具有更好的潜能以及更好的适应能力。目前使用椎间盘祖细胞治疗退行性椎间盘疾病的人类首个 I 期临床试验正在进行中，以进一步研究椎间盘祖细胞在椎间盘修复中的潜力，并确定其在椎间盘再生方面是否优于 MSCs。相较于 MSCs，椎间盘祖细胞具有以下优点：①一般取自椎间盘突出症病人的手术标本，可避免分离其他类型 MSCs 所造成的损伤；②在耐受椎间盘恶劣微环境方面优于其他 MSCs。然而目前对椎间盘祖细胞的了解仍然很有限：①对椎间盘祖细胞的生物学特性了解不多，椎间盘祖细胞的表面标记仍然存在争议；②如何简便、经济地分离出更纯净的椎间盘祖细胞仍有待探索；③如何保护椎间盘祖细胞免受衰老、退化和恶劣微环境的影响尚未阐明。

 

Hu B, He R, Ma K, et al. Intervertebraldisc-derived stem/ progenitor cells as a promising cell source forintervertebral disc regeneration[J]. Stem Cells Int, 2018, 2018:7412304

 

（4）诱导性多能干细胞：诱导性多能干细胞 (induced pluripotent stem cells, IPSCs) 在多能性方面 类似于胚胎干细胞，但伦理问题较少。虽然MSCs 是目前广泛应用于骨组织工程的种子细胞，但其再生潜力似乎随年龄增长而下降， IPSCs 为解决这个问题提供了可行方案。目前应用 IPSCs 治疗椎间盘退变主要有两个方面：诱导其分化为脊索细胞或髓核样细胞。

 

分化为脊索细胞：在青少年椎间盘中，髓核内主要是脊索细胞，成年后脊索细胞消失，取而代之的是更小的软骨样细胞，目前认为这些细胞由脊索细胞分化而来。脊索细胞是成熟椎间盘髓核内所有细胞的胚胎前体细胞，脊索细胞的耗竭可能会影响髓核的正常功能。脊索细胞在刺激髓核细胞合成糖胺聚糖和蛋白多糖方面起着重要作用，一些体外实验也表明脊索细胞可控制髓核细胞合成蛋白多糖，有望成为治疗椎间盘退变的种子细胞。然而人类脊索细胞自童年时期开始消失，来源有限，不能作为种子细胞。体外实验发现，人 IPSCs 在猪髓核组织基质中培养可分化为脊索细胞，为大量生产高质量脊索细胞实现椎间盘再生提供了可能。

 

McCann MR, Tamplin OJ, Rossant J, et al.Tracing notochord-derived cells using a Noto-cre mouse:implications forintervertebral disc development[J]. Dis Model Mech, 2012, 5(1):73-82.

 

Rodrigues-Pinto R, Ward L, Humphreys M, etal. Human notochordal cell transcriptome unveils potential regulators of cellfunction in the developing intervertebral disc[J]. Sci Rep, 2018, 8(1):12866.

 

Mohanty S, Pinelli R, Pricop P, et al.Chondrocyte-like nested cells in the aged intervertebral disc are late-stagenucleus pulposus cells[J]. Aging Cell, 2019, 18(5):e13006.

 

Kadow T, Sowa G, Vo N, et al. Molecularbasis of intervertebral disc degeneration and herniations: What are theimportant translational questions?[J]. Clin Orthop Relat Res, 2015,473(6):1903-1912.

 

Sheyn D, Ben-David S, Tawackoli W, et al.Human iPSCs can be differentiated into notochordal cells that reduceintervertebral disc degeneration in a porcine model[J]. Theranostics, 2019,9(25):7506-7524.

 

Liu Y, Rahaman MN, Bal BS. Modulatingnotochordal differentiation of human induced pluripotent stem cells usingnatural nucleus pulposus tissue matrix[J]. PLoS One, 2014, 9(7):e100885

 

分化为髓核样细胞：IPSCs 也可分化为髓核样细胞。根据脊索细胞和髓核细胞的发育情况证实了一种可促进 IPSC 在体外分化为髓核样细胞的培养基补充方案，这种髓核样细胞有再生椎间盘的潜力。采用“两步走”方法：第一步诱导 IPSCs 分化为中胚层细胞 (mesoblastic cells, MCs)，第二步诱导 MCs 分化为髓核样细胞， 将髓核样细胞注入大鼠尾椎间盘内治疗椎间盘退 变。结果显示椎间盘高度恢复，含水量增加，髓核细 胞及其细胞外基质部分恢复，椎间盘退变得以逆转。 虽然 IPSCs 能克服 MSCs 的增殖受限或体外扩 增后复制衰老等问题，然而目前 IPSCs 应用于椎间盘再生的研究仍十分有限。同时 IPSCs 在分化过程中存在肿瘤形成风险，目前仍不太可能在临床上广泛应用 。尽管 IPSCs 为细胞疗法带来了巨大希 望，但在用于临床试验之前仍有一些安全问题需要考虑。

 

Tang R, Jing L, Willard VP, et al.Differentiation of human induced pluripotent stem cells into nucleuspulposus-like cells[J]. Stem Cell Res Ther, 2018, 9(1):61.

 

Xia K, Zhu J, Hua J, et al. Intradiscal injectionof induced pluripotent stem cell-derived nucleus pulposus-like cell-seededpolymeric microspheres promotes rat disc regeneration[J]. Stem Cells Int, 2019,2019:6806540.

 

Sheyn D, Ben-David S, Shapiro G, et al.Human induced pluripotent stem cells differentiate into functional mesenchymalstem cells and repair bone defects[J]. Stem Cells Translational Med, 2016,5(11):1447-1460