骨髓造血微環境的研究進展

師迎旭(綜述)，韓雅玲，杜 華(審校)

(1.內蒙古醫科大學附屬醫院檢驗科，呼和浩特 010050； 2.內蒙古醫科大學附屬醫院腫瘤內科,呼和浩特 010050；3.內蒙古醫科大學基礎醫學院病理解剖學教研室，呼和浩特 010050)

白細胞、淋巴細胞和紅細胞構成了機體造血系統的細胞部分，這些細胞參與執行機體的多項功能，如防止感染、去除壞組織、攜帶小分子(如氧分子)。這些細胞絕大多數都不是可以無限存活的，為了維持機體的穩態，就需要機體內存在這樣一個系統：可以不斷地補充大量的造血相關細胞。造血發育是一個復雜的生理過程，存在一個核心那就是造血干細胞(hematopoietic stem cells,HSCs)，其主要存在于骨髓。研究發現，HSCs是一類存在于外周血與骨髓的一種能夠自我更新和多向分化的干細胞，約占骨髓細胞的1/10000，占外周血細胞的1/10萬。最早的關于HSCs的研究源于1961年Till等[1]的實驗，給致死劑量照射后的小鼠移植正常的小鼠骨髓細胞，發現骨髓細胞能夠重建造血，表明在骨髓細胞中存在一類與造血相關的能夠自我更新和多向分化的干細胞，在隨后的研究中證實HSCs的存在。關于HSCs的表型，目前為大眾所接受的是小鼠HSCs表型(CD34low/-、SCA-1+、CD150+、CD244-、CD48-、C-kit+、lin-)[2-4]和人HSCs表型(CD34+、CD59+、Thy1/CD90+、CD38low/-、C-kit/CD117+、lin-)[5]，約占骨髓細胞的0.05%，通過上述表型的配伍進行細胞分選，能夠得到相對較純的HSCs。

1 HSCs與Niche

HSCs就像一粒種子，通過自我更新和多向分化可形成造血相關的所有細胞。然而，HSCs的自我更新能力也是相對有限的，那么機體是如何來維持HSCs的干細胞特性的呢？研究發現，HSCs在骨髓腔內不是隨機分布定位的，需要特定的細胞外環境來維持其相對穩態使HSCs處于相對靜止狀態，允許HSCs自我更新但不分化。HSCs定位的區域被稱為龕(Niche)，即保持HSCs干性的Niche。Niche一詞起源于法語“nicher或nichier”或拉丁語“nidus”，最早應用于建筑學指壁龕。1958年由動物學家George提出Niche的概念并被普遍接受。Niche目前特指干細胞的Niche，干細胞Niche是專指干細胞定居及進行自我更新并能產生大量祖細胞的特定場所，由一些維持干細胞功能的細胞、信號分子等構成,是組織結構和功能的基本單位。可以把Niche看成是貯藏干細胞的場所,它既可以保護干細胞不被耗盡,又可以防止過多的干細胞增殖,同時還保護干細胞免受外界環境的損傷。如果沒有適當的Niche,干細胞不能行使其正常的功能。Schofield[6]在1978年針對人造血系統首次提出了HSCs Niche這一概念。該假說認為HSCs定位于骨髓特定的生理環境內,以維持其自我更新的特性，一旦離開Niche,HSCs在基質細胞和多種細胞因子作用下進入分化和增殖狀態。關于HSCs Niche的研究很多，人們普遍接受的是幼稚型HSCs，可能原因是其主要存在于骨松質區的骨內膜附近，但Niche的解剖學定位還不是很明確。大量研究支持HSCs在骨髓腔內有兩類Niche：骨內膜Niche[2，7-8]和脈管Niche[2,9-10]，甚至還稱它們為HSCs的硬件與軟件[11]。

2 成骨Niche與脈管Niche

骨內膜Niche與脈管Niche對于HSCs的存在、功能及維持十分重要。骨內膜Niche的主要解剖學組成包括成骨細胞、CAR細胞(CXCL12-abundant reticular cells)、破骨細胞、成纖維細胞(表1)。脈管Niche主要由CAR細胞和血管內皮細胞組成。通過歸巢實驗發現，經尾靜脈移植的HSCs，在移植后15 h可以觀察到約60%的細胞定位到骨小梁區的骨內膜上。由此可以看出骨內膜具有重要的作用，骨內膜是否就是構成Niche的主要部分，是如何構成的？(圖1)[12]。其機制是：骨內膜通過細胞-細胞直接相互作用，將HSCs黏附在成骨細胞表面，然后對HSCs進行調節；或許是骨內膜細胞通過釋放相關可溶性因子將HSCs吸引到骨內膜附近，從而對其調節；還有可能是骨內膜Niche不具有趨使HSCs靠近自己的能力，需要第三方細胞的參與，協調HSCs靠近骨內膜表面。但骨內膜Niche是以何種方式來建立Niche或3種可能都有，仍需要進一步研究。但可以肯定的是，骨內膜細胞確實對HSCs的維護與調節起重要作用。對于脈管Niche，在胚胎發育過程中脈管細胞對HSCs的發育以及增殖起到重要作用，由此推測脈管可能也參與調節成體HSCs。實際上，有一些脊椎動物沒有骨髓性造血，不具有骨內膜Niche。對于哺乳動物，HSCs在胚胎期也不需要骨組織來參與構成Niche，HSCs來自于胚胎期的血管周圍祖細胞，胚胎期的造血與血管的發生、發展密不可分，表明HSCs最早可能是定位于脈管或脈管周圍的。但需要指出的是，這些胚胎期脈管Niche應該是一些特化的Niche，很有可能HSCs的Niche不是依靠脈管細胞來構成的，而且處于胚胎期的脈管Niche和成體的可能會有很大的差別。脈管細胞是否參與HSCs的Niche組成呢？研究發現，成體內的脈管細胞也可以參與構成HSCs的Niche[9]。在成體內的髓外部分發現，脈管細胞極可能參與構成HSCs的髓外Niche，因為有髓外造血的情況下可在肝、脾組織內觀察到HSCs在血竇附近大量存在。而在骨髓內也可以發現大量的HSCs駐留在脈管附近，約有60%的HSCs駐留在脈管骨髓血竇附近，只有約20%的HSCs靠近骨內膜，其他HSCs散落于骨髓腔內部[8]。培養實驗發現，血管內皮細胞類似于成骨細胞，能夠促進HSCs的增殖并維持其干性，而且對于體內造血功能也是必須的[11]。

表1 骨內膜Niche與脈管Niche的解剖學組成

Niche：特指干細胞的微環境；HSCs：造血干細胞；CAR細胞：CXCL12-abundant reticular cells；CXCL12：趨化因子CXCL12

Endosteal cell：骨內膜細胞； Direct cell-cell contact：細胞-細胞直接作用； HSC：造血干細胞； Release of soluble factors：釋放可溶性因子； Soluble factors：可溶性因子； Regulate function of intermediate cell：中間細胞的調節功能； Intermediate cell：中間細胞； Bone：骨

圖1骨內膜構成Niche的方式

3 骨內可能存在其他Niche

通過形態學的研究可以發現，HSCs在骨髓腔內的自然停留位置，HSCs/造血祖細胞主要分布于骨髓腔骨小梁區的股內膜附近，而分化較明顯的祖細胞多分布于骨髓的中央區[2，13-16]。其中約有57%的CD150++CD48-CD41-Lin-細胞分布于骨小梁附近，約14%的細胞分布于骨內膜區，約29%的細胞分布于血竇區[2]。這些位置是否就是Niche，還是一過性的或臨時的HSCs停留位置，需要進一步的證明。通過實驗發現在體外培養HSCs的體系內，人與鼠的成骨細胞能分泌大量的細胞因子促進HSCs的增殖，首次證明了參與骨形成的細胞具有支持干細胞活性的能力[17-19]。在骨內膜的表面血管化程度較高，表明血管內皮細胞可能參與調控HSCs。體外實驗發現，成體內非造血系統的血管內皮細胞不能夠支持HSCs，而骨髓血竇血管內皮細胞相對于其他器官內的血竇血管內皮細胞的功能及表型完全不同[20]。骨髓血竇血管內皮細胞通過表達細胞因子、黏附分子參與HSCs的動員、歸巢及移植過程[21-22]。這些研究表明骨髓內的骨內膜與脈管周極有可能是HSCs的Niche。但有研究結果顯示，只有43%的HSCs/造血祖細胞定位于骨內膜Niche與脈管Niche中，因此人們推測在骨髓腔內可能還存在其他類型的Niche[12]。有研究發現，骨髓腔低氧區的分布與HSCs的分布密切相關，低氧環境能夠有效地上調細胞周期抑制因子的表達，從而對于HSCs處于靜止期起到重要作用[23]。其他實驗也發現，活性氧類的水平決定HSCs的活性及類型，靜止期的HSCs具有長期自我更新的能力，而增殖期的HSCs只具有短期的自我更新能力[24-25]。綜上所述，通過有限的現有知識推測骨髓腔內可能存在以下幾類Niche參與調節HSCs的維持、增殖以及定位過程[12,26]。第一類Niche:脈管或血管周邊細胞以及骨內膜細胞共同形成一個靠近骨內膜的Niche，兩類細胞一同參與調控HSCs。第二類Niche:這兩類細胞分別形成空間上相互獨立的兩個Niche，兩個Niche對HSCs具有相同的調控作用，只是生理位置不同而已。第三類Niche：這兩類細胞分別形成空間上及功能上相互獨立的兩個Niche，骨內膜Niche參與HSCs的自我更新及增殖，脈管Niche參與HSCs的動員、歸巢及移植過程。第四類Niche：骨髓腔內還存在某些或某類未知的細胞，參與構成特化的Niche(圖2)[12]。

2-12-2

2-32-4

圖2骨內可能存在的Niche2-1 不同位置存在具有類似功能的Niche 2-2 功能不同的多種Niche 2-3 由骨內膜細胞和血管周圍細胞共同構成的Niche 2-4 HSC特有的Niche Osteoclast:破骨細胞； Bone:骨； HSC:造血干細胞； Endothelial cell:內皮細胞； Endosteal cell:骨內膜細胞； Sinusoid:血竇； Mesenchymal progenitor:間充質祖細胞； Megakaryocyte:巨核細胞

4 結 語

處于Niche內的HSCs能夠維持其干性的相對穩態，是因為組成Niche的細胞能夠通過釋放調控信號(細胞因子、趨化因子、黏附因子等物質)使HSCs處于休眠狀態，平衡自我更新與分化狀態使HSCs趨于穩態。Niche與HSCs間的突觸聯會作用對HSCs的穩態起到至關重要的作用。HSCs的Niche的確定能夠使研究者更好地了解HSCs并使提高正常HSCs的功能、體外擴增HSCs成為可能。HSCs是迄今為止研究最為清晰的一類干細胞。通過對于HSCs Niche探究有助于對其他種類干細胞Niche的了解。為研究其他干細胞Niche提供可能的研究方法與理論基礎。

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