《Stem Cells International》：Stem Cell and Cell-Free Strategies for Osteoarthritis: Toward Durable Regenerative Therapies
骨关节炎（OA）是最常见的退行性关节疾病，也是疼痛和残疾的主要原因，然而目前的治疗大多仍为姑息性，未能改变疾病进程。基于干细胞的疗法提供了一种有前景的替代方案，其中间充质基质/干细胞（MSCs）代表了临床上最先进的方法。临床前和临床研究表明，MSCs主要通过旁分泌信号而非持久植入发挥抗炎、免疫调节、软骨保护和镇痛作用。临床试验一致证实关节内（IA）注射MSC的安全性和症状改善，但结构结局因细胞来源、剂量和试验设计的异质性而仍然可变。这一认识激发了人们对无细胞衍生物的兴趣，特别是细胞外囊泡（EVs），它们重现了MSC的旁分泌功能，同时提供了更好的安全性、可扩展性和监管兼容性。与此同时，生物工程创新，包括水凝胶、支架、3D生物打印、纳米技术和基因增强，正在被用于延长持久性、优化递送并实现适应性多模式修复。新兴来源如诱导多能干细胞（iPSCs）、胚胎干细胞（ESCs）和关节驻留祖细胞进一步扩展了再生工具包。这些进展表明，未来OA的再生策略可能结合细胞疗法、无细胞产品和生物材料递送系统，以提高治疗持久性和治疗控制。
1. 引言
骨关节炎（OA）是最常见的退行性关节疾病，以进行性软骨丢失、滑膜炎、软骨下骨重塑和持续疼痛为特征，当前治疗如镇痛药、关节内（IA）皮质类固醇、透明质酸（HA）注射及最终关节置换仍主要提供姑息性症状缓解。再生医学通过间充质基质/干细胞（MSCs）等策略探索疾病修饰，MSCs可从骨髓、脂肪、滑膜等组织获取，研究表明其治疗作用主要源于旁分泌信号（分泌生长因子、细胞外囊泡（EVs）、免疫调节介质）而非直接再生软骨。生物工程创新（水凝胶、3D生物打印、合成生物学）正在增强MSC滞留和治疗效力。临床试验显示IA注射MSC安全并改善症状，但结构修复证据有限，异质性、剂量优化和递送策略等问题需解决。本综述整合细胞与无细胞方法，分析机制、临床证据及新兴源。
2. MSC疗法治疗OA的生物学机制
MSC主要通过分泌活性和免疫调节影响OA，而非长期植入或直接分化，这些机制相互作用，共同调节炎症、免疫、软骨分解和疼痛信号。
2.1 抗炎与免疫调节效应
OA关节中前炎性细胞因子（如IL-1β、TNF-α、IL-6）水平升高，激活NF-κB信号并促进MMP-13、ADAMTS-5等分解酶表达。MSC通过旁分泌分泌前列腺素E2（PGE2）、转化生长因子-β1（TGF-β1）、吲哚胺2,3-双加氧酶（IDO）和白细胞介素-10（IL-10）等抗炎介质，抑制软骨细胞与滑膜细胞的NF-κB激活，减轻炎症。此外，MSC促进巨噬细胞从促炎M1表型向抗炎M2表型极化，增强调节性T细胞（Treg）反应，抑制效应T细胞、B细胞、树突状细胞和自然杀伤细胞（NK细胞）活性，从而建立抑制炎症、支持软骨保存的局部环境。
2.2 软骨再生与软骨保护
MSC通过营养因子如生长分化因子-5（GDF-5）、成纤维细胞生长因子-18（FGF-18）和骨形态发生蛋白-2（BMP-2）间接支持软骨修复，刺激SOX9表达和蛋白聚糖、II型胶原合成。在临床前OA模型中，MSC给药减少软骨侵蚀并增强蛋白聚糖沉积。MSC衍生的EV（如富含miR-140-5p的外泌体）能增强软骨基质合成并延缓OA进展。
2.3 疼痛调控
MSC通过抗炎和神经免疫途径调节OA主要症状——疼痛。通过抑制神经生长因子（NGF）及关键趋化因子/细胞因子等炎症介质，间接减少伤害感受。动物模型中MSC改善步态和负重，EV减少胶质细胞激活和神经炎症。临床研究显示IA注射骨髓MSC（BM-MSC）减轻滑膜炎症并改善疼痛和功能。
3. MSC疗法治疗OA的临床转化
临床转化已从早期安全性和可行性试验推进到随机对照试验（RCT），绝大多数研究显示IA注射MSC耐受良好，改善疼痛和功能，但结构改善证据不一致。
3.1 早期临床研究
I/II期研究验证了自体与异体MSC的安全性及初步疗效。自体脂肪MSC（AD-MSC）注射呈现剂量依赖性临床改善和MRI软骨缺损填充，长期随访（2年）仍有获益；自体BM-MSC优于透明质酸（HA），疗效持续4年；骨穿浓缩物（BMAC）短期疼痛减轻但结构无变化；异体BM-MSC和AD-MSC（Progenza）等产品安全且症状改善，但MRI结果不确定。总体证实可行性和症状改善，但结构终点效力不足。
3.2 随机对照试验（RCT）
RCT系统评估了不同MSC来源的疗效。自体AD-MSC高剂量组在2年内持续改善疼痛和功能，MRI显示软骨稳定；自体BM-MSC高剂量组（100×10
6）在12个月和4年随访中功能和生活质量改善优于HA。异体MSC方面，脐带MSC（UC-MSC）安全有效，重复注射效果更优，MRI显示软骨厚度稳定或增加；异体AD-MSC（ELIXCYTE）在24周和96周均改善WOMAC评分。Meta分析证实IA注射MSC在疼痛和功能上优于HA或安慰剂，不良事件率相似，但结构获益证据不一致。
3.3 临床转化的关键挑战
产品异质性（组织来源、供体差异、扩增方案）导致比较困难，缺乏标准化效力测定；最佳剂量和方案（10
6–10
8个细胞，单次或多次注射）未确定；多数试验结构终点效力不足，强调症状而忽视结构修饰；MSC关节内快速清除限制持久性，需重复注射或生物材料辅助；制造放大、成本和质控未解决，生物标志物和先进影像使用不足。
3.4 转化启示
概念验证强：IA注射MSC安全且持续改善症状。免疫调节是核心，临床改善与抑制IL-1β/TNF驱动的炎症一致。标准化细胞来源、剂量、效力测定和结局评估至关重要。自体MSC具免疫相容性，支持单次手术；异体MSC可扩展为“现货型”产品。持久性需创新（重复注射、水凝胶封装、支架递送）。MSC疗法可能需与互补再生或疾病修饰策略整合。生物标志物和先进影像纳入试验设计有助于定义生物活性、患者分层和监管接受。
3.5 综合与展望
临床证据表明MSC主要通过旁分泌免疫调节（而非持久植入）缓解OA症状，这有助于解释结构结局的可变性。持久性、制造复杂性和监管障碍推动了对无细胞模式（如EV、外泌体）的兴趣，它们以更标准化、可扩展的形式捕捉MSC旁分泌机制。
4. 干细胞无细胞衍生物与外泌体策略
4.1 干细胞无细胞衍生物介绍
MSC主要通过旁分泌作用，这引发了对无细胞衍生物（分泌组、纯化蛋白、细胞外基质（ECM）支架及EV）的关注。EV（尤其是外泌体）包裹蛋白质、脂质和RNA，复制MSC的免疫调节和软骨保护效应，相比全细胞疗法具有稳定性、可扩展性和监管兼容性。
4.2 OA中EV的临床前证据
广泛研究表明MSC来源外泌体在OA模型中再现全细胞疗法益处：BM-MSC外泌体减少软骨降解、抑制滑膜炎，上调COL2A1，下调MMP-13和ADAMTS-5；脂肪、滑膜和髌下脂肪垫MSC外泌体增强软骨细胞增殖、减少凋亡、调节炎症。工程化增强效力：滑膜MSC外泌体富集miR-140-5p促进软骨基质合成；BM-MSC外泌体携带miR-92a-3p抑制WNT5A信号和分解代谢。大动物模型中，沃顿胶MSC外泌体联合ECM支架增强骨软骨修复并诱导巨噬细胞M2极化。值得注意的是，来自炎症条件下脂肪MSC的EV放大NF-κB活化和分解代谢，强调来源和制造条件的重要性。
4.3 OA中EV的早期临床研究
人体证据有限。一项ExoFlo（BM-MSC衍生外泌体）试点研究报道6个月时疼痛和功能改善，无严重不良事件。已有超过40项EV相关临床研究启动，但多数处于早期阶段，尚未进入OA后期测试，已建立可行性和安全性，但剂量、方案和生物标志物尚不确定。
4.4 EV的递送策略
EV快速从关节清除是主要障碍。生物工程方法延长滞留并增强疗效：水凝胶（如GelMA）维持外泌体活性并减轻OA严重性；表面电荷修饰实现更深软骨渗透和高效递送；支架将囊泡定位在缺损区域，耦合结构支持与生物信号；新兴智能载体（磁性、刺激响应系统）进一步改善靶向和适应性释放。
4.5 转化意义
MSC衍生外泌体已成为领先的无细胞候选物，结合安全性、可扩展性和机制效力。成功转化需严格标准化（遵循MISEV 2023指南）、优化递送平台（水凝胶、支架、基因工程），并整合生物标志物监测生物活性。外泌体与支架、水凝胶或基因工程联合具有实现持久疾病修饰的潜力。
4.6 总结与展望
MSC衍生EV作为无细胞方法有前景，可重现MSC旁分泌机制，并具安全性和可制造性优势。但面临EV组成变异、生物活性成分表征不完整以及缺乏活细胞某些功能等挑战。需进一步定义EV效力、优化生产和递送策略，并确定其相对于MSC疗法的治疗角色。
5. 生物工程平台与创新
MSC和EV疗法面临持久性短、效力不均和结构改善有限等关键转化障碍，生物工程创新旨在延长疗效、增强靶向并将再生信号整合到理性设计的递送系统中。水凝胶、支架、基因工程、3D生物打印和纳米技术的进展正在将经验性注射转变为更精确、持久的方法。
5.1 用于持续递送的水凝胶
快速清除限制MSC和EV疗效。水凝胶（天然聚合物如HA、海藻酸、明胶；合成聚合物如PEG、GelMA）提供生物相容基质，封装细胞或囊泡，保持生物活性并实现控释。水凝胶-外泌体系统延长局部活性并增强软骨和骨修复。例如，粘性水凝胶招募内源性细胞；温敏水凝胶释放TGF-β1支持软骨再生。水凝胶整体延长IA滞留时间，并实现MSC、EV和生物活性分子的组合递送。
5.2 用于结构与生物学修复的支架
支架补充水凝胶，提供结构完整性及生物递送。由ECM、合成聚合物或复合材料构建，引导组织再生并与软骨和软骨下骨整合。功能化MSC或EV后结合机械和生物修复。临床前研究中，外泌体功能化ECM支架改善骨软骨再生并减少滑膜炎症；脱细胞ECM支架携EV激活4E-BP等修复信号通路；3D打印、外泌体富集结构实现强大骨软骨再生。支架作为实现持久、整合再生的多功能平台。
5.3 货物工程与基因增强
工程策略增强MSC和EV的治疗效力。微RNA富集特别有效：过表达miR-140-5p的外泌体促进ECM合成并延缓OA；miR-92a-3p抑制分解酶并改善软骨组织学；miR-455在体内增强合成代谢信号。MSC还可基因修饰以过表达细胞因子（IL-1Ra、IL-10、stkIL-1R2）或转录因子（SOX9），产生具有定制旁分泌输出的“设计细胞”，推动从症状缓解向真实疾病修饰转变。
5.4 3D生物打印与组织工程
鉴于OA病理涉及软骨和软骨下骨，3D生物打印可复制骨软骨结构，实现细胞、EV和生物材料的空间精确放置以模拟天然关节分层。生物打印的多层结构促进软骨形成和矿化。体内，GelMA-MSC支架修复兔软骨缺损并改善整合；携带MSC衍生纳米囊泡的GelMA水凝胶通过促进软骨形成和诱导M2巨噬细胞极化减轻OA严重性。生物打印将结构精度与生物活性结合，可实现个性化再生疗法。
5.5 纳米技术与智能系统
纳米技术进一步优化MSC/EV递送，实现深层组织渗透和刺激响应性释放。电荷反转外泌体穿透致密软骨并形成组织内储库；刺激响应载体在pH、活性氧（ROS）或酶活性条件下释放治疗货物，最大化局部疗效并最小化全身暴露。生物纳米颗粒负载滑膜MSC外泌体减轻氧化应激并延缓OA进展；磁性多糖载体改善外泌体滞留和协同效应。这些“智能”系统与精准医疗一致，提供适应性和靶向递送。
5.6 临床转化路径
水凝胶、支架、基因工程、3D生物打印和纳米技术的融合标志着从经验性MSC注射向理性工程再生系统的转变。这些平台解决临床试验中的关键限制：短持久性、不一致结构改善和效力变异。大型动物模型的早期可行性研究已确认工程化支架、生物活性水凝胶和外泌体功能化生物材料的安全性和有效性。成功临床转化需协调制造标准、监管批准和生物标志物整合。最终，细胞疗法与先进生物材料和智能递送系统的结合可能实现适应性、个体化和真正疾病修饰的OA治疗。
6. 超越MSC：OA疗法的新兴干细胞来源
递送平台和纳米技术优化了MSC疗法，但MSC是否为持久疾病修饰的最佳细胞来源尚存疑问。这激发了对替代干细胞群体（诱导多能干细胞iPSCs、胚胎干细胞ESCs、组织特异性祖细胞）的兴趣，它们可能提供更强再生潜力、更一致制造或定制安全优势。
6.1 iPSC
iPSC提供无限、定制的细胞来源，可分化为软骨和骨相关谱系。临床前研究显示，人iPSC衍生软骨颗粒整合到啮齿类和小型猪缺损中无致瘤性；异体iPSC衍生类器官植入灵长类关节后免疫耐受超过4个月。iPSC衍生软骨细胞具有幼年样特征（增强增殖、抵抗IL-1β）。转化障碍包括致瘤性、基因组不稳定和复杂制造，但HLA匹配iPSC库可实现标准化“现货型”疗法。此外，iPSC衍生EV作为无细胞治疗也受关注，临床前研究显示它们可促进软骨细胞增殖、抑制炎症信号、增强软骨基质合成。
6.2 ESC
ESC与iPSC共享多能性和软骨形成能力，使用无饲养层方案可产生强效软骨祖细胞。它们可重演发育性软骨形成，但伦理问题、肿瘤风险和分化变异性使其仅处于临床前阶段。ESC最可能作为软骨发育和OA发病机制建模的研究工具。早期研究表明ESC衍生EV可调节炎症通路并支持软骨修复，但其在OA中的治疗潜力仍处于探索阶段。
6.3 组织特异性祖细胞
关节驻留祖细胞可能提供发育上预先定向的软骨修复选项。滑膜源性干细胞（SDC）展示比BM-MSC或AD-MSC更强的软骨形成潜力，产生富含II型胶原的较大软骨团块。软骨驻留祖细胞（CRPC）迁移至损伤部位并支持内源性修复，但其功能在OA炎症环境中下降。临床使用受限于稀缺性和获取创伤，但体外扩增和支架递送策略正在探索中。
6.4 挑战与机遇
新兴干细胞群体扩展了OA再生工具包。iPSC提供可再生、可定制平台，但需严格安全保障（致瘤性、分化精确控制）。ESC具有强大软骨形成效力，但面临伦理和免疫障碍。组织特异性祖细胞发育预定向，但获取困难且在病变环境易受影响。此外，这些干细胞来源的EV提供无细胞选择，但面临组成变异、活性成分不完全理解和缺乏标准化生产协议等挑战。未来进展可能依赖与生物工程平台（水凝胶、支架）整合以改善存活和增强治疗功能。需要进一步研究明确安全性、制造可行性、可扩展性和治疗效果。
7. 未来方向与整合视角
MSC仍是研究最广泛的细胞类型，iPSC、ESC和组织特异性祖细胞各有局限。未来进展可能依赖整合优化细胞源、改进递送策略、生物标志物引导的患者分层和严格监管路径。
7.1 从症状缓解到疾病修饰
目前干细胞干预主要实现症状缓解（减轻疼痛、改善功能），一致的结构修饰（软骨和软骨下骨）仍难以实现。早期MSC试验显示安全但再生效果可变，受限于快速清除和效力不均。EV疗法抑制炎症和疼痛但体内组织修复有限。实现真正疾病修饰需改善关节内治疗信号持久性（优化剂量或递送系统），并根据OA异质性（炎症表型、疾病阶段）进行生物标志物引导的患者分层。
7.2 整合细胞、无细胞与生物工程策略
单独模态（MSC、EV、祖细胞）尚未实现持久结局。整合将驱动进展：全细胞疗法提供广泛旁分泌库；EV以更安全、标准化形式捕获免疫调节信号；生物工程策略延长持久性、增强靶向并支持组织架构。临床前研究显示多模式技术（EV负载水凝胶、祖细胞种子支架）优于单一平台。未来疗法可能组合这些优势实现适应性和持久修复。
7.3 生物标志物与患者分层
主要障碍是缺乏可靠生物标志物识别反应者和监测生物活性。大多数试验依赖症状，影像对早期变化不敏感。候选分子标志物如脂质运载蛋白-2（LCN2/NGAL）、软骨分解产物（CTX-II、COMP）和炎症介质具有前景；定量MRI方法提供互补无创读数。将生物标志物纳入试验设计可实现患者分层、阐明机制、使终点符合监管标准。
7.4 转化与监管挑战
转化面临监管和物流障碍。MSC方面，供体变异、扩增方案和缺乏效力测定使标准化复杂；EV更符合生物制品框架但缺乏制造和放行标准共识。安全问题（致瘤性、祖细胞肥大）需长期监测。监管机构仍优先症状性结局。成本和可扩展性限制获取：自体疗法资源密集，异体产品引发免疫问题。需协调制造标准、适应性试验设计和早期监管沟通。
7.5 整合视角
未来干细胞治疗OA取决于多种方法融合而非单一突破。MSC、EV、多能细胞和关节特异性祖细胞各有优势；生物材料延长其持久性和精确性。该领域正走向理性工程再生系统，由生物标志物引导并与监管框架对齐。最有前景的策略将是组合性和适应性的，整合细胞或无细胞产品与水凝胶、支架和智能递送系统，同时通过精准诊断定制治疗患者亚群。这类整合方法有潜力不仅缓解症状，还促进更持久、疾病修饰的OA修复。
8. 结论
基于干细胞的疗法正在重新定义OA治疗，从症状缓解转向再生和潜在疾病修饰策略。MSC仍是最临床先进的，但无细胞衍生物和生物工程递送系统的兴起指向更安全、可扩展和持久的解决方案。iPSC、ESC和关节特异性祖细胞等新兴来源进一步拓宽再生图景。最终成功取决于在标准化制造框架内整合这些进展，由生物标志物引导并得到监管支持。这种融合有望提供个体化和持久的再生疗法，根本改变OA治疗轨迹。
