《Cells》：Mesenchymal Stromal Cell Spheroids as an Emerging Regenerative Strategy for Osteonecrosis of the Femoral Head
股骨头坏死（osteonecrosis of the femoral head, ONFH）是一种进行性缺血性骨病，可能导致软骨下骨折、股骨头塌陷和全髋关节置换术（total hip arthroplasty, THA）。再生受损反映持续性缺血、内皮功能障碍、血管生成和骨重塑缺陷、炎症、氧化应激以及内源性间充质基质细胞（mesenchymal stromal cells, MSCs）功能障碍。尽管MSC治疗，特别是对塌陷前ONFH联合髓心减压（core decompression, CD），是一种有前景的保髋方法，但常规二维（two-dimensional, 2D）扩增MSCs受限于存活率和滞留率差、失巢凋亡（anoikis）、细胞–细胞和细胞–细胞外基质（extracellular matrix, ECM）相互作用破坏以及体外扩增过程中效力丧失。三维（three-dimensional, 3D）MSC球体可能通过保留细胞间和基质相互作用，并增强对缺血应激的抵抗、旁分泌信号、血管生成活性、免疫调节和成骨能力，克服其中若干限制。缺氧反应性信号、自噬、营养因子分泌和细胞外囊泡（extracellular vesicle, EV）介导的通讯可能促进血管生成–成骨偶联以及缺血性骨–血管龛（bone–vascular niche）的恢复。本综述总结了ONFH再生的病理生理屏障、常规MSC治疗的当前证据和局限、MSC球体活性的生物学机制以及治疗优化的新兴策略。重要的是，直接证明MSC球体优于常规MSC制剂且特异于ONFH的证据仍然有限。未来转化需要疾病特异性比较研究、标准化良好生产规范（Good Manufacturing Practice, GMP）兼容制造、经过验证的效力测定和临床实用递送系统。
1. Introduction
该节界定ONFH为进行性缺血性骨病，可致软骨下骨折、股骨头塌陷和THA；治疗目标为塌陷前保髋。其病理涉及血管损伤、缺血、内皮功能障碍、骨重塑异常、氧化应激、炎症及内源MSC功能障碍。CD不能可靠恢复血管细胞成分；MSC治疗有前景但2D扩增MSC存活滞留差。3D MSC球体可能保留细胞间和ECM相互作用，改善存活、旁分泌、血管生成、免疫调节和成骨，但证据多来自非ONFH模型。
Literature Search Strategy
检索PubMed、Scopus和Web of Science，截至2026年7月，纳入2008-2026相关临床前、临床、系统综述及机制研究，关键词涵盖ONFH、MSC、MSC球体、3D培养、血管生成、成骨、缺氧、EV和生物材料；重点区分直接ONFH证据与间接机制证据，未行正式meta分析。
2. Pathophysiological Barriers to Regeneration in ONFH
ONFH是骨–血管再生龛进行性失败，持续缺血、内皮功能障碍、骨小梁重塑缺陷、炎症氧化应激和内源MSC功能障碍相互限制再血管化与骨修复。
2.1. Ischemic and Hypoxic Microenvironment
灌注破坏为起始事件；持续缺血和内皮功能障碍限制有效血管生成，并致线粒体功能障碍、氧化应激、衰老和成骨功能丧失。移植MSC需在早期缺血期存活以支持再血管化。
2.2. Disruption of the Trabecular-Vascular Architecture and Defective Bone Remodeling
骨小梁与骨内血管网络偶联维持股骨头完整；缺血后破骨吸收坏死骨若超过机械 competent 新骨形成，则骨小梁变弱，血管与骨小梁恶化相互强化。
2.3. Chronic Inflammatory Signaling and Oxidative Stress
无菌性炎症和活性氧（reactive oxygen species, ROS）损害再生龛，M1样巨噬细胞及相关TNF-α、IL-1β、IL-6促进破骨并抑成骨，糖皮质激素等增加ROS，形成限制MSC存活和功能的放大环。
2.4. Reduced Endogenous Regenerative Potential of Mesenchymal Progenitor Cells
内源骨髓来源MSC（bone marrow-derived MSCs, BM-MSCs）成骨受损、成脂增强、线粒体功能障碍、氧化应激和衰老，并表达p16
INK4a、p21、p53等衰老标志，故仅移植健康MSC难以消除病理宿主环境。
2.5. Convergence of Biological and Mechanical Failure
血管损伤、炎症氧化应激、内源MSC功能障碍和骨重塑受损汇聚于血管生成–成骨偶联失败，导致结构失稳；再生治疗最可能适用于塌陷前且需兼顾机械完整。
3. Mesenchymal Stromal Cell Therapy for ONFH: Current Evidence and Limitations
MSC治疗多与CD联合用于塌陷前ONFH，以补充成骨和调节缺血骨–血管微环境。
3.1. Sources of MSCs Used for ONFH Therapy
BM-MSC研究最多；骨髓抽吸浓缩物（bone marrow aspirate concentrate, BMAC）异质且真MSC少，脂肪来源MSC（adipose-derived MSCs, AD-MSCs）临床证据有限，脐带来源MSC（umbilical cord-derived MSCs, UC-MSCs）为可银行化异体来源，其他来源多属临床前，来源和产品差异妨碍比较。
3.2. Routes and Strategies for MSC Delivery
CD后局部骨内移植最成熟；动脉递送侵入小但依赖归巢；生物材料辅助可改善滞留和微环境支持，但其贡献难与细胞分离。
3.3. Preclinical Evidence
临床前ONFH研究多显示MSC干预改善骨形成、骨小梁、血管化或股骨头保留；同时靶向血管和骨骼修复的策略反应较强，但依赖模型、产品和递送平台。
3.4. Clinical Studies of MSC Therapy
临床多评估自体BM-MSC联合CD，短期至中期安全可接受，部分塌陷前患者可能保髋，但益处异质；病灶负荷、细胞来源剂量、制造、递送和随访影响结果，最佳剂量未定，且结构进展与THA转换改善不一致。
3.5. Major Limitations of Conventional 2D-Expanded MSCs
常规2D扩增MSC移植后存活和滞留差，酶消化破坏细胞–细胞和细胞–ECM相互作用，增加失巢凋亡；反复传代致衰老、DNA损伤和效力下降，产品变异限制疗效。
4. Mesenchymal Stromal Cell Spheroids for the Treatment of ONFH
球体作为3D聚集体可改变MSC代谢、存活、分泌和成骨行为，但效果依赖产品设计，并非统一优势。
4.1. Biological Features of MSC Spheroids Compared with Conventional 2D-Expanded MSCs
球体促细胞凝聚、细胞间接触和内源ECM保留，形成不同于单层的3D微环境，可影响代谢、应激、分泌、迁移、免疫调节和分化，但幅度方向依赖来源、大小、培养和制造。
4.2. Enhanced Survival Under Ischemic Conditions
球体在缺血样应激下活力提高，与自噬增加和ROS降低相关；缺氧预处理球体在股骨缺损模型改善存活和骨修复，但非ONFH直接证据。
4.3. Enhanced Angiogenic and Paracrine Activity
缺血样条件下球体血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor, VEGF）分泌增加，移植后血管密度、灌注和VEGF/成纤维细胞生长因子-2（fibroblast growth factor-2, FGF-2）改善；球体可能作为暂时旁分泌单元，但多数证据来自非ONFH模型。
4.4. Osteogenic Potential and Bone Regeneration
球体在部分颅骨和股骨缺损模型增强成骨分化和骨形成，内源胶原-α
2β
1-整合素信号可维持成骨表型；但成骨反应随来源、传代、大小、预处理和生物材料变化。
4.5. Relevance of MSC Spheroids to ONFH
直接证明MSC球体优于等剂量常规MSC且特异于ONFH的证据有限；非ONFH研究提供间接机制，非球体ONFH研究提供疾病特异机制。生物学合理性不等于临床疗效，需疾病特异研究验证。
4.6. Limitations of Extrapolating Evidence from Non-ONFH Models to Femoral-Head Osteonecrosis
颅骨缺损、长骨节段缺损、后肢缺血等仅再现部分病理，缺乏承重、坏死骨小梁、软骨下重塑和塌陷风险；产品异质性、短随访和阳性选择性报告限制外推及可重复性。
4.7. Combining MSC Spheroids with Biomaterial Delivery Systems
纤维蛋白和RGD修饰藻酸盐等可改善球体存活、促血管活性或矿化；ONFH中可注射载球体水凝胶可经CD通道递送，但需分离球体、生物材料和生长因子的贡献。
4.8. Spheroid Size and Manufacturing Considerations
球体大小决定氧营养扩散并影响代谢、活力、衰老、分泌和ECM组织；小球体衰老低、促血管较强，中间尺寸可能平衡生理缺氧与活力，临床需控制粒径、活力和效力。
5. Mechanisms Potentially Underlying MSC-Spheroid Activity in ONFH
球体活性可能源于细胞–细胞/ECM组织、氧营养梯度、应激适应和分泌表型改变，以下机制按证据模型解释。
5.1. Hypoxic Adaptation and HIF-1α Signaling: Therapeutic Window and Limitations
球体形成产生尺寸依赖氧梯度和缺氧适应；缺氧诱导因子-1α（hypoxia-inducible factor-1α, HIF-1α）调节代谢、存活和VEGF，但缺氧并非越多越好，需定义治疗窗以激活适应信号而不致代谢应激、衰老和成骨受损。非球体ONFH研究支持缺氧预处理和HIF-1α过表达机制。
5.2. Enhanced Cell Survival, Autophagy and Resistance to Apoptosis
球体保留细胞接触和内源ECM，提高移植应激抵抗；BCL-2/BAX比值和营养因子表达增加，自噬抑制后生存优势丧失，但过大聚集体可转向衰老或死亡。
5.3. Enhancement of the Proangiogenic Secretome
球体培养增加VEGF等促血管介质分泌，可能通过协同营养信号改善微血管密度和灌注；该表型对ONFH再血管化机制相关，但直接股骨头保留证据有限。
5.4. Preservation of Osteogenic Activity
3D聚集可通过内源ECM–整合素信号维持成骨表型，有利于替代坏死骨小梁；但成骨反应受来源、传代、大小、分化和生物材料影响，不应假定球体普遍增强成骨。
5.5. Angiogenesis-Osteogenesis Coupling
ONFH修复需血管和骨骼协调再生；球体可能结合促血管旁分泌和成骨能力促进偶联，但完整因果序列尚未在球体与2D直接比较中验证。
5.6. Immunomodulatory Activity
球体形成可增加肿瘤坏死因子刺激基因-6（tumor necrosis factor-stimulated gene-6, TSG-6）等抗炎介质和免疫调节活性，可能减少ONFH继发炎症损伤，但直接证明该机制为疾病特异效应仍缺乏。
5.7. Extracellular Vesicle-Mediated Signaling
3D培养改变细胞外囊泡（extracellular vesicles, EVs）产生和货物，球体大小影响衰老、分泌组、EV释放和血管生成效力；ONFH相关外泌体研究支持EV信号，但EV对MSC球体治疗的贡献待确立。
5.8. Integrated Mechanism of MSC-Spheroid-Mediated Repair in ONFH
当前证据提示球体可能通过改善应激适应和存活，维持旁分泌、血管生成、免疫调节和成骨功能的整合网络；但无单研究验证从植入到再血管化、骨小梁重建和防塌陷的完整序列。
6. Strategies to Enhance the Therapeutic Potential of MSC Spheroids for ONFH
单一球体形成不足以克服ONFH微环境，增强策略需兼顾存活、递送、血管化、骨再生和机械支持，并平衡制造监管复杂性。
6.1. Hypoxic Preconditioning of MSC Spheroids
可控缺氧预处理可提高抗缺血能力，1% O
2预条件球体减少凋亡、增加VEGF并保留成骨，但目标应为可重复适应表型而非最大化缺氧信号。
6.2. Optimization of Spheroid Size and Cellular Organization
球体大小影响扩散、代谢、凋亡和分泌；中生理缺氧可能支持血管生成，过大聚集产生不良梯度和非存活区，故应按功能优化而非最大化，并控制来源、传代和形成方法。
6.3. Biomaterial-Assisted Delivery of MSC Spheroids
可注射或植入生物材料改善球体滞留并提供ECM样线索；纤维蛋白和RGD藻酸盐改善存活或矿化，ONFH中可经CD通道递送水凝胶，但材料贡献需独立优化。
6.4. Prolongation of the MSC-Spheroid Secretome
硫酸化藻酸盐等分泌组螯合材料可保留肝素结合因子并延长局部旁分泌，ONFH中可能延长早期营养介质呈现，但相对简单载体的额外获益待证明。
6.5. Oxygen-Generating and Microenvironment-Modulating Biomaterials
CaO
2等产氧材料可减少移植细胞凋亡并改善血管成骨，但需控制氧释放以免增加ROS；调节免疫浸润的水凝胶也可改善ONFH微环境。
6.6. Controlled Delivery of Angiogenic and Osteogenic Factors
FGF-2、VEGF、骨形态发生蛋白（bone morphogenetic proteins, BMPs）等控释可补充球体修复，FGF-2已在塌陷前ONFH临床评价；时序递送可能优于同时暴露，但需定义剂量、释放动力学和各组分贡献。
6.7. Prevascularization and MSC–Endothelial-Cell Co-Spheroids
MSC与内皮细胞或祖细胞共移植/共球体可加速血管化，但额外细胞类型增加制造、安全和监管复杂性，其价值应相对简单产品确立。
6.8. Biomechanical Considerations and the Need for Structural Support
纯细胞或水凝胶不能立即恢复削弱股骨头的机械完整；再生组织需时间成熟，持续载荷可致微骨折。大病灶或承重区受累可能需额外骨传导或机械增强，治疗选择应兼顾病灶大小、位置和残余机械能力。
6.9. Toward an Integrated Therapeutic Platform for ONFH
务实早期平台可联合CD、标准化球体和可注射ECM模拟水凝胶；生长因子、产氧材料、内皮细胞或结构支架仅在证明增量获益时引入，并按病灶分期定制生物与机械支持。
7. Translational Challenges and Roadmap to Clinical Application
球体临床转化需可扩展制造、验证质量属性和效力、储存运输功能保持、产品特异安全评估及合适监管策略，额外复杂性须有足够治疗获益。
7.1. Manufacturing Reproducibility and Scalability
制造需控制常规MSC变异和聚集特异变量，如每球细胞数、直径分布、聚集时间、ECM沉积、氧梯度和收获；应基于关键质量属性和工艺参数，采用自动微孔、封闭系统或生物反应器可扩展平台。
7.2. Cryopreservation, Storage and Post-Thaw Function
冷冻保存是异体货架产品关键但可致功能变异；复苏后活力不足以指示等效，需评估形态、聚集完整、旁分泌、免疫调节和分化，并决定冻存完整球体还是先冻存MSC后聚集。
7.3. Potency, Release Criteria, Quality Control and Regulatory Pathways
身份标志不足以确立效力，ONFH球体效力应结合缺血存活、营养分泌、血管生成、成骨和免疫调节等功能读出，并建立快速替代放行测定；监管分类依辖区和产品组成而定，EU可能属先进治疗药品（advanced therapy medicinal product, ATMP），US取决于人类细胞、组织或基于细胞/组织的产品（human cells, tissues, or cellular or tissue-based products, HCT/P）标准。
7.4. Safety Considerations and Risk Assessment
球体安全不能假定同解离MSC，需关注异位组织形成、生物分布和持久性、促凝及微血管阻塞风险、免疫原性和炎症反应，以及肿瘤相关安全；应控制基因组稳定性、异常生长和长期监测。
7.5. Commercialization and Clinical Development
商业转化取决于制造成本、储存、放行和递送；自体和异体各有权衡。正式成本效果数据缺乏，未来试验应纳入预防塌陷、避免THA、质量调整生存和长期医疗利用，生物优势须超过额外复杂性。
8. Conclusions
MSC球体可针对常规MSC悬液滞留差、应激敏感和组织结构丧失等限制，但疗效证据产品模型依赖且多非ONFH。其优于等效常规MSC尚未在ONFH确立，未来需标准产品、疾病特异比较、临床相关结构和生物力学终点、验证效力、安全、可扩展GMP制造及成本效益证据。
