1. Introduction
股骨头坏死（Osteonecrosis of the femoral head, ONFH），又称股骨头缺血性坏死（Avascular necrosis of the femoral head, ANFH），是一种多因素进展性骨关节疾病，其特征为骨细胞缺血性坏死、骨小梁微观结构破坏及股骨头力学性能下降，最终导致股骨头塌陷和继发性骨关节炎。该病的核心病理机制是股骨头前上部终末动脉血供受损，引发局部缺血缺氧，进而导致成骨细胞凋亡、骨吸收与骨形成失衡，最终造成骨密度降低和骨结构完整性丧失。
目前 ONFH 的治疗策略主要分为非手术治疗和手术治疗两大类，疗效与疾病分期密切相关，早期诊断和干预是改善患者预后的关键。非手术治疗主要包括药物治疗、物理治疗及核心减压、植骨等保守手术干预。其中核心减压是早期常用治疗方法，通过降低骨内压改善局部血供，但其长期疗效存在争议。高压氧治疗（Hyperbaric oxygen therapy, HBOT）作为一种无创辅助治疗，有望改善患者症状和生活质量。然而 ONFH 的临床治疗面临诸多挑战，包括早期诊断困难、分期标准不一致、缺乏个体化治疗方案、手术并发症风险高及长期疗效不理想等。值得注意的是，ONFH 多见于 20-40 岁的中青年人群，且进展迅速，若不及时治疗，约 80% 的患者会进展为股骨头塌陷，最终导致髋关节功能丧失。
近年来，间充质干细胞（Mesenchymal stem cells, MSCs）因其独特的生物学特性在 ONFH 治疗领域受到广泛关注。MSCs 不仅具有自我更新和向成骨细胞、软骨细胞等功能性骨组织细胞多向分化的潜力，还能通过旁分泌效应释放多种生物活性因子，在促进血管生成、抑制凋亡及调节免疫炎症反应等方面发挥重要作用。例如，在兔 ONFH 模型中，核心减压联合人脐带间充质干细胞（human umbilical cord mesenchymal stem cells, hUCMSCs）移植可显著改善早期 ONFH 的骨微观结构，促进骨形成和血管生成。此外，MSCs 来源的外泌体作为细胞间通讯的重要介质，在调节骨代谢和促进组织修复方面具有独特优势，为 ONFH 治疗提供了新思路。多项临床试验证实，MSCs 移植联合核心减压能有效改善患者髋关节功能，延缓疾病进展，但文献中的异质性可能与细胞来源、移植数量、给药途径及患者个体差异等因素相关。因此，优化 MSCs 治疗方案，包括细胞类型选择、移植剂量确定和给药方式优化，仍是关键研究方向。现有证据表明，MSCs 治疗在改善 ONFH 局部微环境、促进骨组织修复和延缓疾病进展方面具有显著潜力，但其长期安全性和有效性仍需进一步深入研究。
2. Pathogenesis of osteonecrosis
ONFH 是一种以骨细胞缺血性死亡为特征的进展性疾病，其核心机制是股骨头血供中断导致骨组织坏死。根据病因特征，ONFH 可分为创伤性和非创伤性两大类。创伤性 ONFH 主要由髋部骨折、髋关节脱位或相关手术操作损伤股骨头血供系统引起；非创伤性 ONFH 则与多种危险因素相关，包括长期使用皮质类固醇、过量饮酒、血液系统疾病（如镰状细胞贫血）、代谢性疾病（如高脂血症）及感染等。流行病学研究表明，皮质类固醇的使用是 non-traumatic ONFH 的主要病因之一，尤其在女性患者中，而长期或过量饮酒是男性患者的重要危险因素。
股骨头的血液供应主要依赖旋股内侧动脉和旋股外侧动脉，这些终末动脉缺乏有效的侧支循环，使得股骨头极易发生缺血性损伤。缺血后，再灌注过程中产生的活性氧（Reactive oxygen species, ROS）和炎症因子会加重组织损伤。具体而言，缺血缺氧环境可激活半胱天冬酶依赖的凋亡通路，同时诱导肿瘤坏死因子 - α（Tumor necrosis factor - α, TNF - α）、白细胞介素 - 1β（Interleukin - 1β, IL - 1β）、白细胞介素 - 6（Interleukin - 6, IL - 6）等炎症因子过表达，破坏骨组织微环境稳态，导致骨吸收与骨形成失衡。此外，长期使用类固醇等药物可能诱导脂质代谢紊乱，导致骨髓内脂肪沉积，进而压迫血管，加重缺血程度。
3. Pathological microenvironment characteristics
3.1. Local ischaemia, hypoxia and the inflammatory response
股骨头坏死区的局部缺血、缺氧是 ONFH 病理微环境的核心特征。临床影像学研究证实，ONFH 早期患侧股骨头的血流灌注较健侧可减少 50%-80%，导致局部氧分压显著降低，组织氧张力可降至 10 mmHg 以下。在持续缺血缺氧的病理状态下，股骨头组织代谢发生显著改变，缺氧诱导因子 - 1α（Hypoxia - inducible factor - 1α, HIF - 1α）信号通路被激活，导致细胞能量代谢从氧化磷酸化向糖酵解转变，但这种代偿性改变无法满足细胞能量需求，最终导致大量骨细胞和骨髓间充质干细胞凋亡或坏死。
此外，缺血缺氧会触发强烈的免疫炎症反应，促使 TNF - α、IL - 1β、IL - 6 等促炎因子大量释放。这些因子通过激活核因子 κB（Nuclear factor κB, NF - κB）信号通路促进破骨细胞分化和活性，从而加重骨吸收过程。值得注意的是，这种缺血、缺氧与炎症反应相互作用的病理微环境具有双重效应：一方面持续对股骨头组织造成不可逆损伤，加速疾病进展；另一方面，基质细胞衍生因子 - 1（Stromal cell - derived factor - 1, SDF - 1）、单核细胞趋化蛋白 - 1（Monocyte chemoattractant protein - 1, MCP - 1）等炎症因子的释放为 MSCs 的归巢创造了有利条件。
3.2. Extracellular matrix remodelling and disruption of the signalling molecule network
在 ONFH 病程中，细胞外基质（Extracellular matrix, ECM）重塑和信号分子网络紊乱发挥着重要作用。缺血、缺氧和炎症反应共同诱导基质金属蛋白酶（Matrix metalloproteinase, MMP）家族成员（MMP - 2、MMP - 9）过表达和激活，这些蛋白通过降解 Ⅰ 型胶原和纤连蛋白，破坏 ECM 的三维网络结构。ECM 的降解产物（如 α1 (I) CB3 肽段）可作为化学趋化剂，通过与 MSCs 表面的整合素受体结合，激活 focal adhesion kinase（FAK）信号通路，促进 MSCs 的定向迁移。
ONFH 区域的信号分子网络呈现复杂的紊乱状态，尽管血管内皮生长因子（Vascular endothelial growth factor, VEGF）的表达水平升高，但其异常的时空分布和受体信号转导障碍限制了其促血管生成作用。此外，干扰素 - γ（Interferon - γ, IFN - γ）、TNF - α 等炎症相关细胞因子通过激活 Janus kinase/signal transducer and activator of transcription（JAK/STAT）和 NF - κB 信号通路，进一步扰乱局部微环境稳态。这种信号分子网络的失衡不仅加剧组织损伤，还影响 MSCs 的功能，提示未来的治疗策略应注重微环境重塑和信号通路调控。
4. Research on the effects and mechanisms of MSCs in the treatment of ANFH
4.1. Promotion of angiogenesis
MSCs 来源的外泌体将 miR - 210 递送至股骨头骨坏死区，miR - 210 特异性抑制 PTEN 表达，从而解除 PTEN 对 Akt 信号通路的抑制作用，激活 Akt/mTOR 轴。该激活作用增强血管内皮细胞的增殖、迁移和管形成能力，促进局部血管生成；同时 Akt/mTOR 通路上调下游促血管生成因子，改善缺血微环境，还能刺激成骨细胞分化并抑制破骨细胞活性，协同促进骨修复，最终驱动坏死区域的血管再生和功能性骨组织重建。
研究还证实，MSCs 通过分泌 VEGF 在血管生成中发挥关键作用。MSCs 来源的 ECM 通过整合素 αVβ3/c - Myc/P300 通路显著上调 VEGF 表达，从而刺激内皮细胞生长和血管生成，这对骨坏死修复至关重要。在股骨头坏死修复过程中，缺氧诱导因子 HIF - 1α 作为 MSCs 缺氧应答的关键转录调控因子，其表达水平与股骨头坏死模型中的血管生成能力呈正相关。实验证实，用缺氧模拟剂二甲基草酰甘氨酸（Dimethyloxallylglycine, DMOG）预处理犬脂肪来源的 MSCs，可通过稳定 HIF - 1α 增强 VEGF 分泌，进而促进血管生成。此外，MSCs 分泌血小板衍生生长因子 B（Platelet - derived growth factor B, PDGFB）、血管生成素等多种因子协同刺激血管生成。值得注意的是，MSCs 来源的外泌体通过递送微小核糖核酸（microRNAs, miRNAs）和蛋白质调节内皮细胞功能，加速慢性创面的血管网络重建。
4.2. Inhibiting osteocyte apoptosis
MSCs 通过增加抗凋亡蛋白 Bcl - 2 并调节 Bcl - 2/Bax 比值，稳定线粒体膜电位，减少细胞色素 C 释放，从而阻断线粒体凋亡途径，显著抑制骨细胞凋亡。在股骨头坏死模型中，移植的 MSCs 通过旁分泌作用提高局部 Bcl - 2 水平，同时降低凋亡标志物（如活化的半胱天冬酶 - 3）的表达，通过抑制线粒体凋亡信号减缓疾病进展。
磷脂酰肌醇 3 - 激酶 / 蛋白激酶 B（Phosphatidylinositol 3 - kinase/Protein kinase B, PI3K/AKT）通路在骨坏死修复中起关键作用，MSCs 分泌的胰岛素样生长因子 - 1（Insulin - like growth factor - 1, IGF - 1）和 VEGF 与骨细胞受体结合，触发 PI3K/AKT 磷酸化，进而抑制促凋亡因子 BAD 和叉头框蛋白 O1（Forkhead box O1, FoxO1）。研究表明，血管紧张素 II 预处理的 MSCs 与内皮细胞共同作用，可增加坏死区域磷酸化 AKT 的表达，同时使凋亡率降低 50% 以上。MSCs 通过两种机制减轻氧化应激：内在表达超氧化物歧化酶和谷胱甘肽过氧化物酶清除 ROS，以及通过外泌体递送 miR - 21/miR - 210 下调烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶。在氟化物诱导的凋亡模型中，MSCs 共培养使细胞内 ROS 水平降低 60%，并减少 8 - 羟基 - 2' - 脱氧鸟苷等氧化损伤标志物的水平。
4.3. Regulating the immune microenvironment
MSCs 分泌 IL - 10 和转化生长因子 - β（Transforming growth factor - β, TGF - β），下调 M1 型标志物（诱导型一氧化氮合酶和 TNF - α），同时上调 M2 型标志物（精氨酸酶 - 1 和 CD206），促进巨噬细胞从 M1 型向 M2 型极化，以减轻炎症并促进骨坏死修复。通过与免疫细胞的直接相互作用、可溶性因子（前列腺素 E2（Prostaglandin E2, PGE2）、吲哚胺 2,3 - 双加氧酶（Indoleamine 2, 3 - dioxygenase, IDO））及外泌体信号传导，MSCs 减少 TNF - α、IL - 6 等促炎细胞因子，同时增加抗炎因子分泌，重塑骨修复的微环境。
MSCs 还通过分泌 TGF - β/IL - 10 和表达表面分子促进调节性 T 细胞（Regulatory T cells, Treg）分化，维持免疫耐受，并通过抑制效应 T 细胞活化进一步平衡免疫应答。在股骨头坏死中，Treg 的扩增抑制自身免疫并促进修复，临床研究显示核心减压联合 MSCs 治疗改善疗效，且与 Treg 水平升高相关。
4.4. Promotion of bone regeneration
单细胞转录组分析显示，MSCs 通过分泌 TGF - β、IGF - 1 等因子驱动 CD146+成骨祖细胞的代谢重编程（从糖酵解转向氧化磷酸化），激活 AMP 激活的蛋白激酶 /mTOR（AMP - activated protein kinase/mTOR, AMPK/mTOR）信号轴，上调过氧化物酶体增殖物激活受体 γ 辅激活因子 1α（Peroxisome proliferator - activated receptor gamma coactivator 1 - alpha, PGC - 1α）介导的线粒体生物合成，抑制 HIF - 1α 依赖的糖酵解基因表达，从而促进代谢从糖酵解主导型向氧化磷酸化主导型转变，最终增强 CD146+细胞的成骨和抗凋亡能力。
MSCs 的成骨潜力源于其上调 Runt 相关转录因子 2（Runt - related transcription factor 2, Runx2）和 Osterix 表达，激活骨钙蛋白（Osteocalcin, OCN）和 Ⅰ 型胶原 α1 链（Type I collagen alpha 1 chain, COL1A1）表达，同时驱动前成骨细胞成熟的能力。骨形态发生蛋白（Bone morphogenetic proteins, BMP）家族成员通过结合细胞表面受体，激活 Smad1/5/8 磷酸化级联反应，与 Runx2 协同驱动成骨作用。地塞米松通过破坏线粒体动力学抑制 BMP 信号传导，使 MSCs 向脂肪生成方向分化，而外源性 BMP - 2 可逆转这一效应。临床前研究表明，BMP 激活的 MSCs 移植提高骨修复效率，降低骨坏死模型的塌陷风险。
MSCs 通过 ECM 合成提供结构和生化微环境，纤连蛋白和整合素 β1 介导细胞 - 基质黏附。人 MSCs 与前破骨细胞共培养生成富含 CXCL12（趋化内源性 MSCs）和胰岛素样生长因子结合蛋白 5（Insulin - like growth factor binding protein 5, IGFBP5）（激活 c - Jun 氨基末端激酶（c - Jun N - terminal kinase, JNK）和丝裂原活化蛋白激酶激酶 / 细胞外信号调节激酶（Mitogen - activated protein kinase kinase/Extracellular signal - regulated kinase, MEK/Erk）信号通路）的成骨诱导性 ECM。兔颅骨缺损模型证实，MSCs 片移植增加骨体积和骨小梁厚度。
5. Differences in MSC treatment strategies for arthritis
移植方法的差异：ONFH 和关节炎的病理特征不同，需要不同的移植方法。对于 ONFH，常采用局部骨内注射，确保 MSCs 直接递送至受损骨组织，该方法提高细胞存活率和再生能力，满足骨缺损区域的生物学需求，促进 ONFH 区域的组织再生。相比之下，关节炎患者通常接受关节内 MSCs 注射，使细胞在关节腔内快速发挥抗炎和再生作用，缓解疼痛并改善关节功能。但策略的选择必须考虑患者的具体因素，例如在慢性炎症关节中，关节内注射可能导致细胞存活率降低，此时骨内注射可作为可行的替代方案。
ONFH 治疗的主要目标是通过组织修复恢复骨结构和功能；而在关节炎中，治疗重点转向软骨保护和炎症调节。MSCs 通过旁分泌信号传导实现这些效果，释放细胞因子和外泌体调节巨噬细胞极化和局部免疫应答，此过程抑制炎症介质释放，减少软骨细胞凋亡，保护关节软骨。此外，MSCs 通过促进血管生成和抑制炎症细胞浸润参与关节微环境调节，进一步支持组织愈合。
6. Differences in MSC treatment strategies for Nonunion fractures
骨不连常由血供不足或严重骨损伤引起，导致骨痂形成不良和愈合延迟，其关键治疗目标是加速骨痂发育。骨髓来源的 MSCs（Bone marrow - derived MSCs, BM - MSCs）具有出色的自我更新能力和多向分化潜力，在适宜的微环境中，BM - MSCs 可分化为成骨细胞和软骨细胞，其分泌的因子调节周围环境，增强骨再生和愈合。研究表明，MSCs 与 β - 磷酸三钙（β - tricalcium phosphate, β - TCP）等生物材料结合显著改善治疗效果。β - TCP 提供结构支持，促进 MSCs 黏附和增殖，增强局部矿化，从而加速愈合并改善骨痂质量。临床上，这种组合在复杂或难治性骨折中效果显著，缩短愈合时间，恢复骨完整性。
相比之下，ONFH 治疗强调长期结构重建。除改善局部愈合外，MSCs 有助于骨重塑，恢复生物力学性能。这些细胞的成骨分化能力促进骨基质生成，辅助组织重建。ONFH 的 MSCs 治疗常与核心减压联合使用，以降低骨内压并刺激再生。此外，MSCs 分泌的生物活性因子促进外周组织修复，进一步增强结构稳定性。
7. Innovative strategies to enhance MSCs in treating osteonecrosis of the femoral head
7.1. Improving the persistence of MSCs at the site of ANFH
7.1.1. Implantation of MSCs encapsulated in hydrogels
水凝胶作为一种具有三维网络结构的高分子材料，具有良好的生物相容性和吸水性，能为 MSCs 提供物理保护并维持稳定的微环境。水凝胶包封的 MSCs 在植入过程中免受机械损伤，例如温敏性水凝胶（如 Pluronic F127）具有微创注射和原位凝胶化特性，使水凝胶在细胞植入时可直接注射到病变部位，避免传统手术相关的创伤和并发症。温敏性水凝胶在体温下快速固化，形成稳定的三维结构，保护包封的 MSCs，提高其在体内的持久性和生物活性。
