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造血干细胞微环境研究
作者：董慧君，曾宪卓 鲁菲 郭明辉 张哲 来源：《医学信息》2016年第17期
摘要：造血干细胞是血液系统中的成体干细胞，具有长期自我更新和多向分化的潜能。造血干细胞\干性\的维持受造血微环境的调控。研究造血微环境对更好的将造血干细胞用于临床具有重要意义。本文综述造血干细胞微环境的研究现状，主要从微环境的细胞组成及微环境的生理调节两个方面进行概述。
关键词：造血干细胞；微环境；细胞组成；生理调节
造血干细胞（hematopoietic stem cells，HSCs）是血液系统中的成体干细胞，具有长期自我更新和分化成各类成熟血细胞的潜能，被广泛应用于治疗血液疾病和自身免疫性疾病。造血干细胞\干性\的维持受造血微环境的调控。Schofield于1978年首次提出\干细胞龛（niche）\概念，用来描述HSC所处的微环境[1]。骨髓是HSC在成体中定居的主要部位，也是造血微环境所在的部位。骨髓中不同的基质细胞、细胞外基质、细胞因子相互作用构成了特异的三维造血环境。目前解剖学定位还不明确，普遍认为骨髓腔内有两类造血微环境：骨内膜微环境（邻近成骨细胞）和血管微环境（邻近血窦）。不同的位置结构及其细胞成分对造血干细胞的功能起着不同的调控作用。 1 微环境的细胞组成
目前已知参与构成造血微环境的细胞主要有成骨细胞、内皮细胞、间充质干细胞、破骨细胞、巨噬细胞等。
成骨细胞是最早发现的HSC微环境关键组成细胞，具有维持HSC活性的能力，还能产生多种造血关键因子。进一步研究表明不同分化阶段的成骨细胞对HSC作用不同，比如部分成骨细胞亚型支持HSC长期重建的活性，有些则促进其粘附和归巢，还有的亚型产生HSC前体细胞因子[2]。N-粘钙素（N-CAD）阳性的成骨细胞，是研究较有争议的一个亚型，其对HSC的作用尚无定论。粘钙素具有粘附连接作用，但是在HSC干性维持上并非必需。不过，有研究显示，增加其表达能够刺激前列腺素E2的类似物从而影响HSC的存活和增殖[3]。 内皮细胞在维持HSC及增殖上起着重要作用。内皮细胞能够分泌细胞因子扩增体内未成熟的造血细胞，并在移除骨髓后维持HSC功能。Winkler等发现内皮特异性细胞粘附分子E-选择素能够诱发HSC的体内增殖，进一步证实内皮细胞对HSC增殖的影响[4]。Ding等发现敲除内皮细胞上的Kit配体基因会导致HSC的减少，也证明了内皮细胞对HSC维持的重要意义[5]。
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间充质干细胞（MSCs）是HSC微环境中的多能基质细胞，能够产生成骨细胞、脂肪细胞以及软骨细胞。研究证实不管是动物模型还是人体中，MSCs在维持HSCs功能中起着很重要的作用。HSCs移植时共移植MSCs能提高非人灵长类动物的移植效果以及鼠HSC的自我更新能力[6]。用MSCs扩增得到的人脐血进行移植，成人移植存活率明显提高，并且移植后的血小板、中性粒细胞恢复时间也更快[7]。Pinho等近期发现MSCs富含表达PDGFRα（血小板源性生长因子受体）和CD51的细胞群，能够支持造血干/组细胞的体外增殖[8]。MSCs由于其异质性以及缺少公认的标记特性等原因而难以鉴定，研究发现CXCL12，基质细胞衍生因子1（stromal derived factor 1，SDF-1），在多种骨髓基质细胞群中均有表达，能够调节HSC静默、增殖以及滞留等作用，可用于寻找MSC维持HSC功能的主要亚型[9]。
神经元和神经胶质细胞也具有调节HSC命运的作用。研究数据表明，交感神经系统（SNS）神经元能够部分调控G-CSF（粒细胞集落刺激因子）介导的HSC动员[10]。神经胶质细胞被发现是TGF-β（转化生长因子-β）的骨髓来源，而TGF-β能够诱发HSC体内静默。神经胶质细胞中的一种细胞-无髓鞘施万细胞与HSC相邻，能够产生TGF-β，通过与HSC 表面的TGF-β 受体作用，调控HSC滞留在骨内膜微环境和HSC的自我更新[11]。
脂肪细胞在成人骨髓中占很大比例，研究人员认为，原始脂肪细胞具有支持HSC的潜能。DiMascio等报道脂肪细胞能够分泌脂肪因子脂联素，而其受体能被HSCs表达。脂肪细胞产物能够促进HSCs的扩增，并维持其增殖能力[12]。然而，比较不同肥胖水平患者不同解剖部位骨髓中的HSCs的数量发现，脂肪细胞的数量与其呈负相关关系[13]。此外，骨髓中脂肪细胞的减少能够提高HSCs移植存活率以及促进骨髓移除后的造血功能恢复。因此，多数研究认为脂肪细胞对HSCs主要起着抑制作用。
造血细胞通过产生信号调节干细胞龛中的基质细胞，从而间接调控HSC的功能。其中主要的基质细胞有破骨细胞、巨噬细胞/单核细胞以及中性粒细胞。
破骨细胞，由于与成骨细胞密切相关且邻近骨内膜微环境，被认为是一种或许能调控干细胞龛的造血细胞。用二磷酸盐抑制破骨细胞的活性会导致HSCs表型Flk2- lineage- Sca+ Kit+细胞减少1.5倍，以及HSCs长期增殖活性的降低[14]。与破骨细胞密切相关的oc/oc小鼠中HSCs明显减少，且HSCs表型lineage- Sca+ Kit+细胞几乎没有[15]。破骨细胞对HSCs的调控，可能是通过降解骨基质，并释放钙离子以及TGFβ等细胞因子来实现的。还有一些研究报道了破骨细胞通过G-CSF调节HSC动员的作用[16]。
越来越多的研究证明巨噬细胞在调控干细胞龛和HSC功能上也是至关重要。在培养原代骨髓基质细胞时，添加巨噬细胞能够显著增加成熟成骨细胞的数量[17]。研究G-CSF对HSC动员作用时发现，给予G-CSF使骨内膜巨噬细胞的数量减少，并导致成骨细胞数量减少，继而抑制骨内膜骨的形成，同时降低了与HSC滞留骨内膜微环境中相关因子以及影响HSC自我更新相关因子的表达[18]。又有研究发现，减少骨髓单核细胞会促进造血干/祖细胞的动员，主要是因为单核吞噬细胞减少使得骨髓中CXCL12水平降低，以及那些与HSC 滞留在骨内膜
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Nestin+ 微环境中相关的基因选择性下调[19]。这些研究都表明，巨噬细胞对于维持骨内膜HSC微环境起着重要的作用。
早期研究表明，中性粒细胞可能通过释放特殊蛋白酶，如MMP9、cathepsin G以及中性粒细胞弹性蛋白酶等，来促进G-CSF诱发的造血干/祖细胞的动员。又有研究证实缺乏这些酶对G-CSF诱发的造血干/祖细胞的动员没有影响[20]。近期研究发现，采用抗LyG抗体消除中性粒细胞会导致G-CSF诱发的造血干/祖细胞的动员作用减弱，以及抑制成骨细胞作用。这些研究表明，中性粒细胞虽不是关键组分，但对G-CSF诱发的造血干/祖细胞的动员作用还是起着一定的影响[21]。
2 造血干细胞微环境的生理调节
干细胞龛中包含多种细胞组分，其对HSCs的作用各有不同。然而，这些细胞也受生理刺激影响，例如交感神经分布、生理周期节律以及激素信号，这也使得微环境变得更为复杂。 低氧就是其中一个重要的生理调节因素。大量数据表明低氧不仅能影响龛细胞，也能直接作用于HSCs使其长期处于休眠状态。低氧以及低氧诱导因子-1（HIF-1）在骨发育和运动中起着至关重要的作用，敲除成骨细胞中的HIF-1a基因会影响骨的成形。成骨细胞中HIF-1的稳态也有助于HSCs的扩增，这也表明低氧环境下的成骨细胞可能更能支持HSCs。另一方面，HIF-1a基因缺失能够促进HSC离开G0期，并使其进入骨髓抑制重复循环中，而HIF-1a蛋白则会使其长久静止，这也说明HIF-1a是调控HSC静止的关键因素之一。早期研究已经表明造血干/祖细胞在低灌流及相对缺氧的骨髓骨内膜区域具有连续重建的能力。而近期一项研究发现，骨内膜区域其实血管丰富。并且大部分造血干/祖细胞是分布在骨内膜区域的血管周围。因此，骨内膜中的造血干/祖细胞可能是相对好氧的。事实上除了在骨髓中，其他的造血干/祖细胞表现为低氧特性，比如外周循环中的造血干/祖细胞。因此，代谢上的内在区别可能比低氧微环境位置更能界定低氧对HSCs的作用[22]。 3 结语
自\干细胞龛\概念提出以来，研究人员们对骨髓造血干细胞微环境的研究越来越深入，对微环境中细胞的研究也取得了很大的进展。微环境中的这些特殊的基质细胞群通过产生特异性信号来调控HSC生物学特性，比如在骨髓中的静止状态以及滞留情况。成熟的造血细胞，特别是巨噬细胞，还能通过调节其他基质细胞或者直接作用来维持HSC干性。通过人为调控HSC及其后代也为疾病治疗提供了多种潜在的靶点。事实上，以深入认识微环境中的细胞组成及生理调节为基础，在不远的将来，我们或许可以简单安全的调节体内的HSC。而且，微环境中某些信号导致某些恶性肿瘤，那么靶向微环境的药物或许可以提高肿瘤细胞对化疗的敏感性。因此，对干细胞微环境的继续深入研究，将为以干细胞为基础的治疗提供更为广阔的空间。
参考文献：
造血干细胞微环境研究
