脂肪間充質干細胞在治療骨關節炎中的臨床應用

近日，中國藥科大學生命科學與技術學院在《World J Stem Cells》上發表了一篇文章，文章報道了脂肪間充質干細胞在已被用于治療OA，取得了良好的治療效果。這種安全、簡便、有效的療法有望在未來得到應用和推廣。

骨關節炎 (OA) 被認為是一種高度異質性的疾病，具有進行性軟骨丟失、軟骨下骨重塑和低度炎癥。它是世界上導致殘疾的主要原因之一。OA的常規臨床治療多為姑息性藥物，不能從根本上治愈該病。來自脂肪組織的基質血管部分 (SVF) 是異質細胞群。根據以往的研究，它含有大量的間充質干細胞，已被用于治療OA，取得了良好的治療效果。這種安全、簡便、有效的療法有望在未來得到應用和推廣。本文詳細介紹了 OA的發病機制、和目前的臨床治療方法。

骨關節炎的發病機制

軟骨破壞、軟骨下骨重塑、骨贅形成、關節囊增厚都是OA發病的一部分，可能需要數年時間。應該注意的是，四肢的關節炎前期畸形也可能導致骨關節炎。例如，嚴重的外翻或內翻畸形會導致外側或內側膝關節炎。這會產生關節內高應力分布的變化，導致力不平衡，進而加速關節炎病理。

OA的炎癥是低度和慢性的，導致先天性和適應性免疫系統都被激活（主要是先天免疫系統），將OA與類風濕性關節炎區分開來。通常，關節軟骨由水、軟骨細胞和細胞外基質組成。細胞外基質由軟骨細胞合成和分泌，含有膠原蛋白（主要是II型膠原蛋白）、蛋白多糖、透明質酸（HA）和小分子糖蛋白。II型膠原蛋白和其他細胞外基質可以形成網狀結構，為關節軟骨提供抗壓能力。

當OA發生時，軟骨細胞會產生多種引起炎癥的炎性細胞因子和趨化因子，如白細胞介素-1β（IL-1β）、腫瘤壞死因子-α（TNF-α）和白細胞介素-6（IL-6）。同時，軟骨細胞產生MMP，以及具有血小板反應蛋白樣基序 (ADAMTS) 的去整合素和金屬蛋白酶。II型膠原是解整合素的靶標，蛋白多糖是ADAMTS的靶標；這些蛋白質一起最終導致軟骨分解代謝增加，合成代謝和修復減少。值得注意的是，關節中的成骨細胞、滑膜細胞和單核細胞可產生IL-1β、TNF-α、MMPs等。

軟骨下骨位于關節軟骨鈣化層下方，包含血管和神經，可為關節軟骨提供機械支撐。在OA的早期階段，破骨細胞介導軟骨下骨的重塑。隨著OA的進展，磁共振成像 (MRI) 可以檢測到不同程度的軟骨下骨硬化、骨贅和軟骨下骨囊腫。這種改變可能會減少軟骨下骨對關節軟骨的機械支撐，使關節軟骨容易受到損傷。

滑膜炎是OA最常見的并發癥之一。在骨關節炎的進展過程中，滑膜可能會顯著增殖，滑膜細胞也可能分泌促炎因子和基質金屬蛋白酶，以幫助骨關節炎的發展。除了關節的局部炎癥機制外，越來越多的證據表明，肥胖可以使人體長時間處于低度炎癥環境中。與BMI正常的人相比，肥胖者患OA的風險明顯更高。

治療骨關節炎的方法有哪些？

OA的治療主要包括改變生活方式、物理治療、藥物治療、關節內治療和手術。然而，目前還沒有完全治愈 OA的方法。

OA早期治療的目標是減輕疼痛和僵硬。治療方法通常包括適度運動、飲食和口服藥物。OA中晚期的治療目標是維持身體機能。治療方法通常包括關節內注射療法和手術。根據國際骨關節炎研究協會的說法，適當的結構化陸上運動是治療OA最有效的方法之一，因為它可以減輕關節疼痛和僵硬。此外，減肥也是肥胖患者改善OA的重要途徑之一。

物理療法包括電療、熱療和針灸。藥物治療中常用鎮痛、抗炎、保護軟骨的藥物。然而，這些療法只能減輕疼痛癥狀并減緩炎癥過程；他們不能阻止OA的發展。

在臨床上，關節腔注射療法是一種微創治療方法。注射的治療劑包括糖皮質激素、透明質酸鈉、富血小板血漿 (PRP)、骨形態發生蛋白7 (BMP-7) 和干細胞。需要注意的是，超聲可用于指導晚期骨關節炎和肥胖患者關節內注射的使用。一種使用納米級材料（包括膠束、脂質體和樹枝狀聚合物）的新型關節內可注射載藥遞送系統，已經提出。這種方法可以減緩藥物釋放，延長藥物在關節腔內的滯留時間。

OA治療的手術方法主要包括關節鏡清創術、微骨折術、異體/自體軟骨移植、人工關節置換等。例如，對于額骨排列不齊和內翻或外翻排列不齊，脛骨高位截骨術可用于矯正脛骨近端角，從而減輕疼痛并延緩關節炎的進展。然而，手術是侵入性的并且具有一定的風險。因此，它僅適用于關節發生嚴重退行性改變的患者，如關節間隙縮小或消失，嚴重影響其生活質量。該療法不適用于早期OA的治療。

基質血管部分

SVF是一種多細胞成分，通過膠原酶消化、離心、洗滌和過濾等過程從脂肪組織中提取。臨床上，例如，抽脂術可用于從腹部、腹股溝、前臂和臀部等區域獲取脂肪組織。

SVF主要由脂肪間充質干細胞 (ADSC)、造血干細胞/祖細胞、淋巴細胞、單核細胞/巨噬細胞、內皮細胞和周細胞組成。ADSC是SVF的重要組成部分，約占SVF細胞群的10%。ADSCs賦予SVF干細胞的特性，其他細胞也對分泌活性細胞因子、調節機體免疫等起到積極作用。由于SVF在組織再生、血管重建和抗炎特性方面表現出卓越的治療價值，因此在臨床實踐中得到廣泛應用。

使用關鍵詞“基質血管部分”和“骨關節炎”搜索臨床研究數據庫（https://www.clinicaltrials.gov/）。剔除撤回研究后，得到目前SVF治療骨關節炎的臨床試驗研究，見表格1。

基質血管部分在骨關節炎中的臨床研究

臨床上，OA的藥物治療可以緩解疼痛和部分癥狀，但不能修復或抑制軟骨等關節組織的損傷。因此，既不能從根本上解決軟骨退化問題，也不能阻止骨關節炎的進展。雖然手術治療可用于修復軟骨損傷，但OA的??長期治療效果有限，且存在諸多弊端和風險。另外需要注意的是，手術治療只適用于中晚期OA患者的治療。因此，關節腔內干細胞注射這種微創、安全、快速的治療方法得到了越來越多的關注和應用。

間充質干細胞（MSCs）來源于中胚層，可分化為脂肪細胞、成骨細胞、軟骨細胞等中胚層細胞。這種分化潛能使MSCs成為OA的有前途的替代治療方法。MSC 可來源于臍帶、骨髓和脂肪組織。與其他來源的組織相比，脂肪組織含量豐富，更容易獲得（通過抽脂），并且含有更多的干細胞（ADSCs）。ADSC是一種MSC。此外，ADSCs具有更高的遺傳穩定性、更高的增殖和分化能力、更低的衰老速度和更長的端粒長度，使其成為OA最有希望的治療選擇。

體外貼壁培養擴增后，可通過SVF獲得ADSCs 。然而，由于繁瑣且耗時的體外擴增步驟會帶來污染風險以及時間和經濟成本，因此研究人員將注意力轉移到了不需要培養的 SVF 上。SVF中豐富的細胞成分，不僅可以分化成軟骨細胞，幫助組織修復，還可以分泌活性細胞因子，調節人體免疫系統，發揮抗炎作用等。因此，臨床研究人員更喜歡 SVF。

本研究使用關鍵詞“stromal vascular fraction”和“osteoarthritis”搜索 PubMed、Web of Science、Cochrane Library 和 Google Scholar，在去除重復和非英文文獻后，我們篩選了SVF治療OA的臨床試驗發表于2016年和2020年。最終得到22個研究，如表2。

表2：血管基質成分治療骨關節炎的臨床研究

Ref.	Treatment	Study type	Patients	Follow-up time	Outcome assessments	Consequences
OA position/number
Pak et al (2016, 2018)	SVF + HA + PRP	Case report	3 patients: 1 male, age: 68; 2 females, age: 60 and 87	3.5 mo	FRI, MRI, ROM, VAS	Cartilage repaired showed by MRI; all scores improved
Knee
Fodor et al (2016)	SVF	Pilot study	6 patients: 1 male, 5 females, mean age: 59	12 mo	ROM, WOMAC, VAS, TUG, MRI	All scores improved, no MRI evidence of cartilage regeneration
NCT02357485	Knee/8 OA
Yokota et al (2017)	SVF	Case report	13 patients: 2 males, 11 females, mean age: 74.5	6 mo	VAS, JKOM, WOMAC	All scores improved
Knee/26 OA
Nguyen et al (2017)	AM vs AM + SVF + PRP	Comparative study	30 patients (15 per group: 3 males, 12 females) mean age: 58	18 mo	VAS, Lysholm, WOMAC, MRI	All scores improved compared with AM group; AM + SVF + PRP group had obvious cartilage repair show by MRI
NCT02142842	Knee
Michalek et al (2017)	SVF	Case control multi-centric non-randomized study	1128 patients: 596 males, 532 females, median age: 62	17.2 mo	Modified KOOS/HOOS	KOOS/HOOS improved, most patients gradually improved, obesity and more severe OA healed slowly
Knee and hip/1856 OA
Tantuway et al (2017)	SVF	Case report	101 patients: 41 males, 60 females, age: 29-84	3-24 mo	KOOS	KOOS and joint function improved, pain relieved, patients could move normally
Knee/201 OA
Russo et al (2017, 2018)	SVF	Retrospective study	30 patients: 21 males, 9 females, median age: 43	12-36 mo	Lysholm, VAS, IKDC-subjective, KOOS	41%, 55%, 55%, 64% of the patients improved in the scores, respectively
Diffuse degenerative keen
Bright et al (2018)	SVF	Case report	1 patient: female, age: 27	3 yr	WOMAC, HOOS	Symptoms of OA reduced, all scores improved, ankylosing spondylitis, depression, anxiety and fatigue improved
Knee and hip
Barfod et al (2019)	SVF	Prospective cohort study	20 patients, mean age: 49	12 mo	KOOS	KOOS improved
NCT02697682	Knee
Roato et al (2019)	SVF	Case report	20 patients: 9 males, 11 females, mean age: 59.6	18 mo	VAS, WOMAC	Pain relieved, scores improved
Knee
Hudetz et al(2019)	SVF	Prospective, non-randomized and single center study	20 patients: 15 males, 5 females	12 mo	VAS, WOMAC, KOOS	All scores improved, pain and symptoms relieved for up to a year
Knee
Berman et al (2019)	SVF	Case report	2586 patients	2-5 yr	Questionnaire (visual acuity pain scores, sustained improvement in function)	Over 80% of patients’ pain relieved, joint function improved and maintain 1 yr; outcomes between male and female or between SVF alone and SVF + PRP showed no difference
NCT10953523	Knee
Michalek et al(2019)	SVF	Multicenter case-control study	29 patients: 9 males, 20 females, mean age: 83.3	36 mo	Modified KOOS/HOOS	Apart from 3 elderly patients died from aging, other patients’ pain and weekly dosage of analgesics were reduced, KOOS/HOOS improved
Knee and hip
Yokota et al (2019)	ADSC vs SVF	Retrospective cohort study	ADSC: 42 patients; SVF: 38 patients	6 mo	VAS, KOOS	No major complications occurred, knee joint effusion was more likely to occur in SVF group than ADSC group (SVF 8%, ADSC 2%); VAS and KOOS improved in both groups
Knee/128 OA
Mayoly et al(2019)	SVF +PRP	Case report	3 patients: 1 male, 2 females, mean age: 62	12 mo	VAS, PRWE, DASH	All scores improved
NCT03164122	Wrist
Hong et al(2019)	SVF vs HA	Double-blind randomized self-controlled trial	16 patients (with bilateral symptomatic knee OA) one side: SVF, the other side: HA. 3 males, 13 females, mean age: 52	12 mo	VAS, WOMAC, ROM, MRI (MOCART, WORMS)	Significant improvement of VAS, WOMAC and ROM in SVF group, but no improvement in HA group; SVF group was superior to HA group in cartilage repair showed by MOCART and WORMS
Knee
Tran et al(2019)	SVF + AM vs AM	Single-center, non-randomized, placebo-controlled study	33 patients, placebo group (AM): 3 males, 12 females, mean age: 58.2; SVF group (SVF + AM): 5 males, 13 females, mean age: 59	24 mo	VAS, WOMAC, Lysholm, OS	VAS, WOMAC of SVF group reduced significantly compared with placebo group, and maintained 24 mo; Lysholm, OS of SVF group improved
Knee
Garza et al(2020)	SVF	Double-blinded prospective randomized controlled study	39 patients (randomly assigned to high-, low-dose SVF, or placebo at 1:1:1)	12 mo	WOMAC, MRI	Symptoms and pain relieved by SVF treatment for up to at least 12 mo; changes in WOMAC scores reached statistical significance in the high- and low-dose groups compared to the placebo group; the improvements were dose dependent
NCT02726945	Knee
Lapuente et al (2020)	SVF	Retrospective study	50 patients: 28 males, 22 females, age: 50-89	12 mo	Lequesne, WOMAC, VAS	All scores improved
Knee/100 OA
Tsubosaka etal(2020)	SVF	Case report	57 patients: 41 males, 16 females, mean age: 69.4	13.7 mo	ROM, WOMAC, VAS, KOOS, MRI	WOMAC, VAS and KOOS improved, while no significant difference in hip-knee-ankle angle, T2 mapping values of lateral femur and tibia improved significantly

表中的大多數研究用于膝關節OA，大約一半的臨床研究是不受控制的，沒有聯合治療，只有SVF被用于治療OA。這些研究均未報告感染、急性疼痛或癌癥等嚴重不良反應，表明SVF治療OA是安全的。

大多數研究使用來自腹部、臀部和大腿外側的脂肪組織，體積（對于一個膝蓋）在60到215毫升之間；SVF細胞的數量從2×10⁶到3×10⁷; 用于關節內注射的SVF制劑的最終體積從2.5到5mL不等。雖然OA的程度、脂肪組織的體積、SVF細胞的數量和活力很難保持一個統一的標準，但現有的研究已經證明了積極的治療效果，VAS、WOMAC、ROM、MRI、KOOS、Lysholm等評分改善，患者疼痛減輕，炎癥癥狀減輕。同時，關節功能也得到一定程度的改善。圖1描述了在當前臨床環境中使用SVF治療OA的一般步驟。

值得注意的是，Garza發現高劑量SVF（3×10⁷）和低劑量SVF（1.5×10⁷）組之間OA患者的最終治療效果存在顯著差異。他們指出，治療6個月后，兩組的WOMAC評分變化中位數分別為83.9%和51.5%。同時，高劑量組和低劑量組的WOMAC評分與對照組差異顯著，表明OA改善程度呈SVF劑量依賴性。

基質血管部分在治療骨關節炎的作用機制

當機體受損時，受損區域會產生信號分子，激活干細胞的歸巢效應，使其遷移至受損部位，發揮組織修復作用。然而，軟骨組織缺乏血管。即使是骨髓間充質干細胞，也很難遷移到損傷處，因此需要外源性干細胞注射。將SVF注入患者關節腔后，SVF中的ADSCs可通過多種趨化因子受體（如 CXCR4、整合素、選擇素、血管細胞粘附分子-1）相互作用遷移至損傷區域。

盡管大量研究表明ADSCs可在體外誘導分化為軟骨細胞，但尚無足夠證據證明ADSCs在體內可分化為軟骨細胞以修復OA治療過程中受損的軟骨組織。

現有證據表明，脂肪干細胞治療作用的一個重要機制是脂肪干細胞的滋養作用；它們可以分泌生長因子和細胞因子，例如轉化生長因子-β (TGF-β)、骨形態發生蛋白（BMP-2、BMP-4 和 BMP-7）、胰島素樣生長因子 1 (IGF-1)和成纖維細胞生長因子2 (FGF-2)。因此，ADSCs 可能促進軟骨形成，誘導細胞增殖、分化和遷移，最終促進軟骨損傷修復。此外，ADSCs可分泌NO、TNF-α、IL等細胞因子，發揮調節機體免疫和抗炎反應的作用。同時，ADSCs可通過表達抗凋亡蛋白抑制軟骨細胞凋亡，從而減緩OA的發生。

許多研究者將PRP聯合干細胞用于治療OA并取得了滿意的治療效果。這是因為PRP可以釋放多種生長因子，如血小板衍生生長因子、TGF、FGF和各種ILs。這些生長因子不僅可以調節機體的免疫反應，還可以促進和增強干細胞的修復功能。因此,PRP 可以刺激軟骨細胞的增殖分化,調節內源性透明質酸的合成,有助于軟骨組織損傷的修復。

SVF是一種多細胞成分，除ADSC外，還含有祖細胞、周細胞、內皮細胞、成纖維細胞和各種免疫細胞。這些細胞還通過形成微環境、分泌細胞因子和調節免疫來幫助促進軟骨修復。

結論

綜上所述，SVF是一種修復關節軟骨損傷的有效治療方法，尤其對緩解OA患者的疼痛等癥狀，改善關節功能具有重要意義。同時，SVF在臨床上的治療是非常安全的。相關機制研究揭示了SVF及其旁分泌分子在骨關節炎治療中的有益作用，它可以介導細胞間通訊，與細胞微環境和多種細胞類型相互作用，從而引發適當的細胞反應，抑制炎癥，促進軟骨修復和再生和恢復關節穩態以減輕疼痛。然而，多種因素可以改變SVF及其分泌的特性，例如供體的個體差異和不同的制備標準，這可能會限制其治療效果。

參考資料：Tang Q, Zhao XS, Guo A, Cui RT, Song HL, Qi ZY, Pan Y, Yang Y, Zhang FF, Jin L. Therapeutic applications of adipose-derived stromal vascular fractions in osteoarthritis. World J Stem Cells. 2022 Oct 26;14(10):744-755. doi: 10.4252/wjsc.v14.i10.744. PMID: 36337155; PMCID: PMC9630988.