间充质干细胞治疗在运动员肌腱损伤后再生治疗中的应用①

史占格

(贵州财经大学体工部 贵州贵阳 550025)

中国飞人刘翔在北京奥运会上因右脚后跟部的剧痛而退出比赛,经过医学专家会诊考虑是跟腱止点处的损伤。由此运动员的肌腱相关的损伤及疾病再次引起了人们的关注。肌腱损伤及肌腱疾病是运动员的常见疾病之一,肌腱病在运动员中的发生,严重的影响了运动员在场上的发挥,并且缩短了运动员的运动寿命,甚至可能导致残疾。

运动员由于长期参加各项体育运动,容易造成肌腱的过度使用,因此肌腱疾病及损伤是运动员中的高发疾病之一。根据西方发达国家的统计数据,大约30%的田径运动员患有阿基里斯(Achilles)肌腱病,且年发病率在7%～9%之间[1]。在长跑运动员当中肌腱病的发病率与年龄成正相关性[2]。除阿基里斯肌腱以外,髌骨肌腱也是疾病的高发区域,并且与运动员所从事的运动项目有一定相关性。例如在排球运动员中患病率是14%,在手球运动员中发病率为13%,篮球运动员中发病率为12%,在田径项目中的发病率约为7%,在足球运动员中大约为2.5%[3]。在顶级足球运动员中,肌腱较高的使用时间被证明是髌骨肌腱病发病的危险因素之一[4]。此外棒球投手和网球手在45岁之前患肩肌腱疾病的危险性要比普通人高4倍左右[5]。由以上这些数据我们可以看出,肌腱病在运动员当中的发病是非常普遍的。并且肌腱病的发生与运动员从事何种运动项目,肌腱过度使用的时间以及强度都有一定的关系。所以肌腱病是运动员的一大健康隐患,也是需要我们广大体育工作者高度重视的疾病之一。那么我们就应该对肌腱损伤及肌腱疾病的病理学特征,治疗手段要有一个大概的认识。近年来再生医学利用医学手段使得损伤或疾病部位组织得到再生,从而回复到损伤前的状态,给各种损伤疾病的治疗带来了新的希望。本文着重介绍基于间充质干细胞的再生疗法在肌腱治疗中的应用及研究现状,为广大体育工作者及从事运动医学研究的科技工作者提供参考。

1 肌腱病及损伤

肌腱病是一种临床症状,通常包括过度使用肌腱造成的损伤,疼痛,渗出,红肿及功能性损伤等[6]。肌腱疾病及损伤虽然可能在不存在肌腱过度使用的情况下发生,但是其发病通常与肌腱的过度使用相关。通常认为阿基里斯肌腱,髌骨肌腱,上肢,肩袖和桡侧伸腕短伸肌的肌腱组织容易因为肌腱的过度使用而发病[7]。所以对于运动员来说这些部位是发病的热点区域。

在肌腱的急性损伤发生之后,通常需要10周的时间才能恢复到健康的状态。肌腱疾病最直接的病理学表现就是肌腱炎和腱鞘炎,肌腱炎的组织学表现有胶原的错误组装,纤维分离,粘液增多,神经,血管增生,同时可能伴有肌腱内的炎症。腱鞘炎是肌腱外层薄膜及腱旁组织的急性或慢性炎症,通常由于重复的过度肌腱使用造成,典型特征是局部的肿胀及非肌腱细胞在肌腱局部的出现。在随后肌腱炎和腱鞘炎发生过程中,许多非肌腱细胞会在肌腱组织出现,例如:成纤维细胞,肌成纤维细胞,脂肪细胞,软骨细胞,骨样细胞等,3型胶原分成上升至30%,健康肌腱细胞的成分大大降低。这些效应可以在身体内大部分的肌腱组织中发生。所以由于损伤及肌腱病变,会使得健康肌腱细胞分成降低,以及肌腱结构成分的变化,现有的治疗手段包括手术和非手术疗法,非手术疗法通常包括,特定的体育锻炼方法,生物物理学疗法等。然而对于肌腱病的治疗效果有限,这就使得我们需要开发出更加有效的疗法。新的疗法不仅需要恢复肌腱的正常成分结构,还需要能够提高肌腱组织正常肌腱细胞的含量从而使损伤后的肌腱真正回复到损伤前的状态,延长运动员的体育生命。再生治疗可以使损伤组织得到再生,从而回复到损伤前状态,所以能够达到肌腱损伤治疗的诸多要求。

2 再生治疗及干细胞疗法

再生治疗简单来讲就是利用医学手段使损伤或疾病组织得以再生,从而使得损伤或疾病得到修复。再生医学(regenerative medicine,RM)原先指使体内组织再生的理论、技术和外科操作;现在,它的内涵已不断扩大,包括组织工程、细胞和细胞因子治疗、基因治疗、微生态治疗等,国际再生医学基金会(IFRM)已明确把组织工程定为再生医学的分支学科。

干细胞(stemcells,SC)是一类具有自我复制能力(selfrenewing)的多潜能细胞,在一定条件下,它可以分化成多种功能细胞。根据干细胞所处的发育阶段分为胚胎干细胞(embryonic stem cell,ES细胞)和成体干细胞(somatic stem cell)。所谓胚胎干细胞就是取自于早期胚胎(原肠胚期之前)或原始性腺中分离出来的一类细胞。然而由于对于胚胎干细胞的分离需要破坏胚胎,所以其应用一直以来受到诸多来自伦理学方面的诟病。成体干细胞是指存在于一种已经分化组织中的未分化细胞,这种细胞能够自我更新并且能够特化形成组成该类型组织的细胞。目前普遍认为在身体各种组织中存在着少量的成体干细胞,并且在体内长期处于休眠状态,在组织遭到受到损伤时才开始行驶修复的功能,例如造血干细胞,间充质干细胞等。

根据干细胞的发育潜能分为三类:全能干细胞(totipotent stem cell,TSC)、多能干细胞(pluripotent stem cell)和单能干细胞(unipotent stem cell)。由于干细胞具有强大的分化能力,所以干细胞一直以来都是再生医学研究中的热点领域,同时以干细胞为基础的再生治疗也是未来最具潜力的疗法。在体内将外源的干细胞注入损伤部位,使得干细胞分化成为组织中的正常细胞(比如分化成为健康的肌腱细胞)就可以使得损伤组织得以自我再生,恢复到损伤前的状态。可以预见这一领域的突破会给包括肌腱损伤在内的众多疑难病症带来治疗的希望。

3 间充质干细胞在肌腱再生治疗中的应用

临床前动物实验研究显示,细胞治疗可以提高肌腱细胞的数量同时使得肌腱组织得以再生(而不是修复)。对于肌腱损伤的细胞治疗的临床研究,目前已有一些小样本的1期或2期临床研究正在进行中或是已经完成。这些研究着力于评价疗法的安全性,不同种类细胞的治疗效果。目前用于肌腱损伤治疗的细胞种类有,间充质干细胞、胚胎干细胞、肌腱来源的细胞以及皮肤成纤维细胞。由于间充质干细胞具有免疫惰性,易于分离等特性,所以具有很高的开发价值。

间充质干细胞是一种多能成体干细胞,并且可以从多种成体组织中分离获得,骨髓和脂肪组织是间充质干细胞比较经典的来源,另外同时在体内也证明了间充质干细胞在体外形成肌腱组织的能力,同时在体内也证明其在体外修复肌腱组织的效果。研究证明间充质干细胞相对于其他细胞种类具有较低的免疫原性,所以由于间充质干细胞具有众多诸如:容易获得,容易分离纯化,易于体外培养及增殖,较低的免疫原性等优良特性,使得其可以在再生医学及组织修复中作为一种理想的种子细胞而得以应用。

临床前动物实验中肌腱裂伤,缺损及胶原诱导的肌腱病是最常用的动物模型。研究表明间充质干细胞移植入兔肌腱病模型的阿基里斯肌腱,有助于在肌腱早期愈合的过程中提高相关组织病理学,及生物力学参数。如果将细胞植入各种支架材料,则可以为细胞提供依附,另外可以促使细胞在组织中有序生长,同时也可利用材料表面特性控制细胞在体内的行为。在体外将间充质干细胞植入胶原水凝胶支架,随后植入兔的肌腱,28%的实验动物出现异位钙化现象(由于成骨分化)。在随后的研究中发现了碱性磷酸酶(成骨标志物)水平的上升。另外,(PLGA)支架也被用于肌腱再生修复研究,有研究用间充质干细胞结合PLGA材料在兔阿基里斯肌腱部位修复了1cm的肌腱缺损,并且比较没有PLGA支架修复的实验动物,修复后的肌腱具有更高的拉伸强度。

在胶原诱导的动物模型中,研究表明间充质干细胞疗法同样具有很高的再生效果。间充质干细胞疗法在大动物中也有大量实验数据。在对11匹实验马的肌腱病模型注射间充质干细胞后,9匹在随后表现明显的疗效。另外一项研究中16匹马有14匹出现疗效并没有出现任何并发症。因此肌腱病的间充质干细胞疗法目前已经有了大量的动物实验证据。不仅仅可以提高各项组织病理学指标,促进损伤愈合,以及缺损的修复,同时还有证据表明该疗法可以提高肌腱中1型胶原的含量,这样就可以回复肌腱的正常结构,及应力强度。所以间充质干细胞疗法在肌腱病的治疗中具有潜在的开发价值。

然而,间充质干细胞的临床应用受到了一定的限制。其中,间充质干细胞在植入后细胞较低的存活率是主要的阻碍之一。动物模型试验得到的证据表明,仅有5%的植入细胞能够在植入组织存活两周[8]。在小鼠动物模型中也同样观察到了与之相同的细胞存活率[9]。因此,细胞存活率可能是制约间充质干细胞治疗的主要障碍。为了加速间充质干细胞的临床应用,造成植入细胞凋亡的主要因素应该得到进一步的确认。另外有研究表明,间充质干细胞治疗在体内的治疗效果并不是因为其在体内的分化作用,而是因为间充质干细胞的旁分泌作用。外源间充质干细胞在体内是否能够分化,以及具体的分化机理目前尚不十分的明确,仍然需要进一步的研究得以确定。所以间充质干细胞最终是否能够真正走上临床应用,为肌腱损伤的运动员解除病痛在于这些问题的克服。

4 结论及展望

肌腱损伤是限制运动员运动生命,影响运动员场上表现的主要原因之一。并且肌腱损伤及疾病在运动员中的发病率较为普遍,现有的疗法不能得到很好的疗效,无法使肌腱真正回复到损伤前的状态。再生治疗的发展给广大体育工作者带来了健康的希望。其中基于间充质干细胞的再生疗法具有广阔的应用前景,并且在诸多临床前试验中得以证实。然而间充质干细胞疗法的应用仍然存在一定障碍。外源间充质干细胞在体内的凋亡,以及体内分化机理的不明确使得间充质干细胞的临床应用受到限制。

近年来科学家针对间充质干细胞的应用中存在的障碍提出来许多解决方案。例如,将间充质干细胞再生疗法与基因治疗相结合,利用DNA基因治疗,及siRNA治疗手段对间充质干细胞进行基因改造,使细胞在体内定向分化从而提高细胞疗法的可控性。另外利用该技术也可以抑制间充质干细胞在体内的凋亡从而提高治疗效果。可以预见,在不久的将来,间充质干细胞再生疗法将在科学家的努力下最终走上临床应用,在肌腱损伤的治疗中发挥强大的治疗效果,使因肌腱损伤退出赛场的运动员重新回到赛场,使患有肌腱病的运动员回复到以前的状态更好的投入训练与比赛。运动员们将会在在科学坚强后盾的支持下,在赛场上实现更快、更高、更强的体育梦想。

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