造血干細胞微環境研究

摘要：造血干細胞是血液系統中的成體干細胞，具有長期自我更新和多向分化的潛能。造血干細胞\"干性\"的維持受造血微環境的調控。研究造血微環境對更好的將造血干細胞用于臨床具有重要意義。本文綜述造血干細胞微環境的研究現狀，主要從微環境的細胞組成及微環境的生理調節兩個方面進行概述。

關鍵詞：造血干細胞；微環境；細胞組成；生理調節

造血干細胞（hematopoietic stem cells，HSCs）是血液系統中的成體干細胞，具有長期自我更新和分化成各類成熟血細胞的潛能，被廣泛應用于治療血液疾病和自身免疫性疾病。造血干細胞\"干性\"的維持受造血微環境的調控。Schofield于1978年首次提出\"干細胞龕（niche）\"概念，用來描述HSC所處的微環境[1]。骨髓是HSC在成體中定居的主要部位，也是造血微環境所在的部位。骨髓中不同的基質細胞、細胞外基質、細胞因子相互作用構成了特異的三維造血環境。目前解剖學定位還不明確，普遍認為骨髓腔內有兩類造血微環境：骨內膜微環境（鄰近成骨細胞）和血管微環境（鄰近血竇）。不同的位置結構及其細胞成分對造血干細胞的功能起著不同的調控作用。

1 微環境的細胞組成

目前已知參與構成造血微環境的細胞主要有成骨細胞、內皮細胞、間充質干細胞、破骨細胞、巨噬細胞等。

成骨細胞是最早發現的HSC微環境關鍵組成細胞，具有維持HSC活性的能力，還能產生多種造血關鍵因子。進一步研究表明不同分化階段的成骨細胞對HSC作用不同，比如部分成骨細胞亞型支持HSC長期重建的活性，有些則促進其粘附和歸巢，還有的亞型產生HSC前體細胞因子[2]。N-粘鈣素（N-CAD）陽性的成骨細胞，是研究較有爭議的一個亞型，其對HSC的作用尚無定論。粘鈣素具有粘附連接作用，但是在HSC干性維持上并非必需。不過，有研究顯示，增加其表達能夠刺激前列腺素E2的類似物從而影響HSC的存活和增殖[3]。

內皮細胞在維持HSC及增殖上起著重要作用。內皮細胞能夠分泌細胞因子擴增體內未成熟的造血細胞，并在移除骨髓后維持HSC功能。Winkler等發現內皮特異性細胞粘附分子E-選擇素能夠誘發HSC的體內增殖，進一步證實內皮細胞對HSC增殖的影響[4]。Ding等發現敲除內皮細胞上的Kit配體基因會導致HSC的減少，也證明了內皮細胞對HSC維持的重要意義[5]。

間充質干細胞（MSCs）是HSC微環境中的多能基質細胞，能夠產生成骨細胞、脂肪細胞以及軟骨細胞。研究證實不管是動物模型還是人體中，MSCs在維持HSCs功能中起著很重要的作用。HSCs移植時共移植MSCs能提高非人靈長類動物的移植效果以及鼠HSC的自我更新能力[6]。用MSCs擴增得到的人臍血進行移植，成人移植存活率明顯提高，并且移植后的血小板、中性粒細胞恢復時間也更快[7]。Pinho等近期發現MSCs富含表達PDGFRα（血小板源性生長因子受體）和CD51的細胞群，能夠支持造血干/組細胞的體外增殖[8]。MSCs由于其異質性以及缺少公認的標記特性等原因而難以鑒定，研究發現CXCL12，基質細胞衍生因子1（stromal derived factor 1，SDF-1），在多種骨髓基質細胞群中均有表達，能夠調節HSC靜默、增殖以及滯留等作用，可用于尋找MSC維持HSC功能的主要亞型[9]。

神經元和神經膠質細胞也具有調節HSC命運的作用。研究數據表明，交感神經系統（SNS）神經元能夠部分調控G-CSF（粒細胞集落刺激因子）介導的HSC動員[10]。神經膠質細胞被發現是TGF-β（轉化生長因子-β）的骨髓來源，而TGF-β能夠誘發HSC體內靜默。神經膠質細胞中的一種細胞-無髓鞘施萬細胞與HSC相鄰，能夠產生TGF-β，通過與HSC 表面的TGF-β 受體作用，調控HSC滯留在骨內膜微環境和HSC的自我更新[11]。

脂肪細胞在成人骨髓中占很大比例，研究人員認為，原始脂肪細胞具有支持HSC的潛能。DiMascio等報道脂肪細胞能夠分泌脂肪因子脂聯素，而其受體能被HSCs表達。脂肪細胞產物能夠促進HSCs的擴增，并維持其增殖能力[12]。然而，比較不同肥胖水平患者不同解剖部位骨髓中的HSCs的數量發現，脂肪細胞的數量與其呈負相關關系[13]。此外，骨髓中脂肪細胞的減少能夠提高HSCs移植存活率以及促進骨髓移除后的造血功能恢復。因此，多數研究認為脂肪細胞對HSCs主要起著抑制作用。

造血細胞通過產生信號調節干細胞龕中的基質細胞，從而間接調控HSC的功能。其中主要的基質細胞有破骨細胞、巨噬細胞/單核細胞以及中性粒細胞。

破骨細胞，由于與成骨細胞密切相關且鄰近骨內膜微環境，被認為是一種或許能調控干細胞龕的造血細胞。用二磷酸鹽抑制破骨細胞的活性會導致HSCs表型Flk2- lineage- Sca+ Kit+細胞減少1.5倍，以及HSCs長期增殖活性的降低[14]。與破骨細胞密切相關的oc/oc小鼠中HSCs明顯減少，且HSCs表型lineage- Sca+ Kit+細胞幾乎沒有[15]。破骨細胞對HSCs的調控，可能是通過降解骨基質，并釋放鈣離子以及TGFβ等細胞因子來實現的。還有一些研究報道了破骨細胞通過G-CSF調節HSC動員的作用[16]。

越來越多的研究證明巨噬細胞在調控干細胞龕和HSC功能上也是至關重要。在培養原代骨髓基質細胞時，添加巨噬細胞能夠顯著增加成熟成骨細胞的數量[17]。研究G-CSF對HSC動員作用時發現，給予G-CSF使骨內膜巨噬細胞的數量減少，并導致成骨細胞數量減少，繼而抑制骨內膜骨的形成，同時降低了與HSC滯留骨內膜微環境中相關因子以及影響HSC自我更新相關因子的表達[18]。又有研究發現，減少骨髓單核細胞會促進造血干/祖細胞的動員，主要是因為單核吞噬細胞減少使得骨髓中CXCL12水平降低，以及那些與HSC 滯留在骨內膜Nestin+ 微環境中相關的基因選擇性下調[19]。這些研究都表明，巨噬細胞對于維持骨內膜HSC微環境起著重要的作用。

早期研究表明，中性粒細胞可能通過釋放特殊蛋白酶，如MMP9、cathepsin G以及中性粒細胞彈性蛋白酶等，來促進G-CSF誘發的造血干/祖細胞的動員。又有研究證實缺乏這些酶對G-CSF誘發的造血干/祖細胞的動員沒有影響[20]。近期研究發現，采用抗LyG抗體消除中性粒細胞會導致G-CSF誘發的造血干/祖細胞的動員作用減弱，以及抑制成骨細胞作用。這些研究表明，中性粒細胞雖不是關鍵組分，但對G-CSF誘發的造血干/祖細胞的動員作用還是起著一定的影響[21]。

2 造血干細胞微環境的生理調節

干細胞龕中包含多種細胞組分，其對HSCs的作用各有不同。然而，這些細胞也受生理刺激影響，例如交感神經分布、生理周期節律以及激素信號，這也使得微環境變得更為復雜。

低氧就是其中一個重要的生理調節因素。大量數據表明低氧不僅能影響龕細胞，也能直接作用于HSCs使其長期處于休眠狀態。低氧以及低氧誘導因子-1（HIF-1）在骨發育和運動中起著至關重要的作用，敲除成骨細胞中的HIF-1a基因會影響骨的成形。成骨細胞中HIF-1的穩態也有助于HSCs的擴增，這也表明低氧環境下的成骨細胞可能更能支持HSCs。另一方面，HIF-1a基因缺失能夠促進HSC離開G0期，并使其進入骨髓抑制重復循環中，而HIF-1a蛋白則會使其長久靜止，這也說明HIF-1a是調控HSC靜止的關鍵因素之一。早期研究已經表明造血干/祖細胞在低灌流及相對缺氧的骨髓骨內膜區域具有連續重建的能力。而近期一項研究發現，骨內膜區域其實血管豐富。并且大部分造血干/祖細胞是分布在骨內膜區域的血管周圍。因此，骨內膜中的造血干/祖細胞可能是相對好氧的。事實上除了在骨髓中，其他的造血干/祖細胞表現為低氧特性，比如外周循環中的造血干/祖細胞。因此，代謝上的內在區別可能比低氧微環境位置更能界定低氧對HSCs的作用[22]。

3 結語

自\"干細胞龕\"概念提出以來，研究人員們對骨髓造血干細胞微環境的研究越來越深入，對微環境中細胞的研究也取得了很大的進展。微環境中的這些特殊的基質細胞群通過產生特異性信號來調控HSC生物學特性，比如在骨髓中的靜止狀態以及滯留情況。成熟的造血細胞，特別是巨噬細胞，還能通過調節其他基質細胞或者直接作用來維持HSC干性。通過人為調控HSC及其后代也為疾病治療提供了多種潛在的靶點。事實上，以深入認識微環境中的細胞組成及生理調節為基礎，在不遠的將來，我們或許可以簡單安全的調節體內的HSC。而且，微環境中某些信號導致某些惡性腫瘤，那么靶向微環境的藥物或許可以提高腫瘤細胞對化療的敏感性。因此，對干細胞微環境的繼續深入研究，將為以干細胞為基礎的治療提供更為廣闊的空間。

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編輯/金昊天