造血干细胞研究进展样本

造血干细胞研究进展

摘要：造血干细胞是具备自我更新、高度增殖和多向分化潜能细胞群体,在人体造血系统中起着至关重要作用。本文简介了造血干细胞生物学特性、表面标志以血干细胞在干细胞移植、细胞治疗和基因治疗等方面临床应用和前景。

造血干细胞(hematopoietic stem cell,HSC)又称多能干细胞,是存在于造血组织中一群原始造血细胞。也可以说它是一切血细胞原始细胞,即由造血干细胞定向分化、增殖为不同血细胞系,并进一步生成血细胞。人类造血干细胞一方面浮现于胚龄第2～ 3周卵黄囊,在胚胎初期(第2～ 3月)迁至肝、脾,第5个月又从肝、脾迁至骨髓。在胚胎末期始终到出生后,骨髓成为造血干细胞重要来源。造血干细胞是干细胞中研究最早、最多、最进一步一种,近年来在造血干细胞各种研究领域均获得了重要进展。

1 造血干细胞发现

造血干细胞发现源于第二次世界大战后放射医学研究， Jacobson 等[1-3]发现小鼠与豚鼠脾脏与骨髓中存在有一类细胞，即造血干细胞，可以重建经致死剂量射线照射过小鼠与豚鼠造血系统。随着单克隆抗体技术与流式细胞分选技术浮现，人们运用各种针对细胞表面抗原抗体组合，分离到相对较纯小鼠与人骨髓与胚胎组织中造血干细胞与造血前体细胞群(hematopoietic progenitorcell)。其中，美国斯坦福大学 Weissman 实验室在分离与鉴定小鼠与人造干细胞方面所做工作最为杰出[4-9]。长期以来，对于造血干细胞是由各种不同、可以分化成不同种类成熟细胞所构成，还是由一类可以分化成所有造血系统成熟细胞所构成，人们存有争论。直到 1996 年，Osawa 等[10]通过单个细胞移植办法，验证了一种造血干细胞就可以重建机体整个造血系统，才结束了对于这一问题争论。

2 对小鼠造血干细胞初期发生研究 造血干细胞发生到当前为止，人们对于小鼠造血干细胞初期发生研究得相对较多。小鼠胚胎在完毕原肠运动(gastrulation)后不久，一群中胚层细胞就被

“ 决定 ”(determined)将要分化成造血细胞。小鼠胚胎中各种组织，如卵黄囊(yolk sac)、积极脉 - 性腺 - 中肾(the aorta-gonadmesonephros region ，AGM) 、胎盘以及胚肝，都先后参加了造血细胞发生[16,17](图 1)。最早造血干细胞在第 7.5 天胚胎外卵黄囊中浮现[18]，这时候造血干细胞重要分化成有核红细胞，这个时期造血称为 “ 原始造血 ”( p r i m i t i v ehematopoiesis)。对 BMP-4 基因敲除小鼠研究显示，BMP(bone morphogenetic protein)信号通路参加了原始造血过程[19]。原始造血只短暂存在于小鼠胚胎第 7 至 11 天，重要功能是为迅速生长胚胎提供氧气供应，随后即迅速消失。在胚胎第8.5 天，AGM 区域浮现第二波造血干细胞[20,21]，这时候胚胎内部血液循环开始建立，这个阶段造血称为 “ 永久造血 ”(definitive hematopoiesis)。永久造血产生造血干细胞可以分化成造血与免疫系统所有终端分化细胞，其造血干细胞功能可以始终延续到成年后来。在小鼠第 10 天胚胎中，造血干细胞开始向肝脏迁移，到胚胎第 12.5 天时，胚肝成为胚胎最重要造血器官。在胚胎期第16天时，胚肝造血干细胞开始向骨髓中迁移[6]，这种迁移始终持续到出生后。最后，骨髓成为成体动物最重要造血器官。关于发生在卵黄囊 “ 原始造血 ” 与发生在AGM 区域 “ 永久造血 ”，究竟具备共同还是相对独立来源，当前依然存有争论。

3 造血干细胞生物学特性

造血干细胞是体内各种血细胞唯一来源,存在于骨髓、脐血和外周血中,具备自我更新或自我维持能力、高度增殖潜能、多向分化潜能。

3.1 自我更新或自我维持能力

正常状况下,HSC通过不对称性有丝分裂形成两个子代细胞。其中一种仍维持造血干细胞所有特性,即自我更新(self- renewal)。自我更新使得干细胞池大小(干细胞数量)和质量维持不变,因而又称为自我维持(self- maintenance)。另一种子细胞在有丝分裂过程中特性发生变化逐渐走向分化途径,成为不同谱系祖细胞、前体细胞和成熟血细胞,代替消耗或者衰老细胞,从而维持循环各种血细胞数量。

3.2 高度增殖潜能

在骨髓中,HSC约占骨髓细胞0.05%,且大多数处在G0期。正常生理状况下,仅需局限性10%HSC处在增殖状态就足以维持机体恒定造血[1]。放、化疗导致造血细胞群明显耗竭或在某些细胞因子和HSC动员剂等因素作用下,HSC能大量地分裂,从而有更多HSC进入细胞周期。

3.3 多向分化潜能

HSC不但可分化为各系统血细胞系,如红细胞系、粒细胞系、单核-吞噬细胞系、巨核细胞系以及淋巴细胞系,还具备可塑性,可向某些非造血细胞转化[2],如神经细胞、骨骼肌细胞、肝脏细胞、血管内皮细胞以及各种组织上皮细胞等。

4、造血干细胞生物学特性

造血干细胞(HematopoietieStemCell,HSC)是一小群具备高度自我复制和多向分化潜能最原始造血细胞。它具备2个重要特性:l)高度自我更新或自我复制能力;2)可分化生成所有类型血细胞。在发育生物学上,造血干细胞属于成体干细胞一种。又因其可分化出至少12种血细胞,因此造血干细胞是一种多能干细胞。正常状况下,造血干细胞通过不对称性有丝分裂形成两个子代细胞。其中一种仍维持造血干细胞所有特性,即自我更新(sel--fernewal)。自我更新使得干细胞池大小(干细胞数量)和质量维持不变,因而又称为自我维持(sel--fmiantenance)。另一种子细胞也许由于基因表达模式发生变化而使得细胞特性浮现变化,从而逐渐走上分化道路。现已懂得,造血干细胞不是纯一细胞群体,而是由不同年龄级别干细胞构成。这些不同年龄级别干细胞表面抗原、免疫表型和粘附分子表达不一,生物学特性也有一定差别。

5 造血干细胞表面标志

HSC存在着不同发育阶段、数量很少、体积较小、比重较轻、形态相似,没有特异形态学特性,至今仍不能单从形态学上来辨认。因而要对HSC进行研究,一方面必要能把它从造血组织中分离出来。最惯用办法就是运用HSC表面标志蛋白对其进行分离。

5.1 CD34抗原

CD34分子为105～ 120kD高度糖基化I型跨膜糖蛋白,选取性表达于初期造血干/祖细胞、小血管内皮细胞及胚胎成纤维细胞表面,也许具备细胞间粘附、阻遏造血细胞分化等功能,随着细胞分化成熟逐渐减少甚至消失。CD34+造血干细胞是一组异质性细胞群体,可进一步分化为CD34+ CD38-和CD34+ CD38+两个亚群。CD34+细胞群中90%为祖细胞,很少为HSC。近来研究表白,绝大多数CD34+细胞同步表达CDCP1,分离纯化CDCP1细胞可使NOD/SCID小鼠重建造血,提示CDCP1是一种新造血干细胞表面抗原标志[3]。近年应用Ly5抗原等位基因不同大鼠品系进行竞争性长期重建(competitive long term recon-sititution,CLTR)分析,发现大鼠体内存在有CD34-HSC群,并可分化为CD34+HSC[4],同步在人、豚鼠和恒河猴骨髓细胞以及人脐血中亦发现具备长期重建造血能力CD34-细胞,并且在长期培养后可形成集落,随着集落形成亦由CD34-转变为CD34+,可见,CD34+造血细胞来源于CD34-。CD34表面标志从无到有,又从有到无,充分显示了造血干/祖细胞产生、发育、分化和成熟全过程。

5.2 胸腺抗原- 1(Thy- 1,CD90)

Thy- 1抗原作为造血干细胞比CD34分子浮现得早,Thy- 1是细胞表面I型糖蛋白连接分子,表达在初期造血细胞表面,与细胞间粘附关于,介导负增殖信号,抑制细胞增殖分化[5]。CD34+ Thy- 1+细胞约占CD34+细胞群0.1%～ 0.5%,是具备高度自我更新能力和多项分化潜能造血干细胞。因Thy- 1+是造血干细胞表面初期标志,故可运用其为标志进行造血干细胞筛选[6]。

5.3 血管内皮生长因子受体- 2(vascular endo-

thelial growth factor receptor- 2，VEGFR- 2,又称KDR)Ziegler[7]提出KDR是鉴定干细胞标志,并可由此鉴别干细胞和祖细胞。用RT- PCR证明,在人出生后造血组织中,0.1%～ 0.5%CD34+细胞表达KDR,多能造血干细胞只存在于CD34+KDR+细胞某些,而CD34+ KDR-细胞亚群则重要涉及某些系特异定向祖细胞。用有限稀释法分析接受异种骨髓移植小鼠CD34+ KDR+细胞中HSC比例成果证明,在骨髓中,HSC比例为20%,经12周长期培养(LTC)分析,骨髓、外周血和脐血中HSC可达25%～ 42%,如在长期培养过程中添加VEGF,HSC比例可增至53%～ 63%。因而,KDR是一种可用于定义造血干细胞,并使其区别于造血祖细胞阳性功能性标志。

5.4 干细胞因子受体(SCFR,又称c- kit,CD117)

CD117可编码一种穿膜酪氨酸激酶受体分子,应用单克隆抗体证明此分子可存在于造血干细胞膜上,约60%～ 75%CD34+造血干细胞同步表达CD117。其配体-

-干细胞因子(stem cell factor,SCF)在造血干细胞生存和增殖分化中起着重要作用,研究发现CD34+ CD117+比CD34+ CD117-细胞具备更高集落形成能力。CD117也存在于肥大细胞和急性髓样白血病细胞表面。

5.5 AC133抗原

AC133是更初期造血祖细胞和造血干细胞特异性标记。它是一相对分子质量为120kD糖蛋白,可与一种新杂交瘤细胞系所产生抗干细胞糖蛋白抗原单克隆IgG抗体特异性结合。AC133选取性地表达于人胎肝、骨髓和外周血中CD34+造血干/祖细胞表面。与CD34抗原表达不同是,AC133抗原不表达在人脐静脉血管内皮细胞、KGla细胞(AML细胞系)或纤维母细胞上,同步,AC133+细胞群具有比CD34+细胞群更多初期造血细胞,再植效率更高,并且与白血病和内皮细胞关系密切[8,9]。

6造血干细胞可塑性(Plastieiyt)

造血干细胞可塑性是指除可以分化为各系血细胞外,还可以分化为各种非造血组织细胞,如神经细胞、骨骼肌细胞、心肌细胞、肝脏细胞、血管内皮细胞以及各种组织上皮细胞等。当前对造血干细胞多向分化机制仍不清晰,对这一机制探讨以及对造血干细胞定向分化调控将大大扩展其在临床上应用。由于这不但可以绕过用人胚胎干细胞作为移植治疗细胞来源,并且可以减轻异基因移植带来免疫排斥问题。

7造血干细胞临床应用

造血干细胞正广泛应用于某些疾病治疗,并获得了可观疗效,成为干细胞研究和应用成功范例。

7.1 细胞治疗

细胞治疗,即给患者输注治疗细胞,通过这些细胞在体内发挥功能以达到治病目,如抗肿瘤等。当前已建立了体外诱导扩增树突状细胞(DC)办法,可以从脐带血或自体外周血干细胞诱导扩增出大量DC,进一步使其装载肿瘤特异性抗原后,诱导抗原特异性CTL杀伤肿瘤细胞。DC回输疗法已成功地试用于非何杰金淋巴瘤、黑色素瘤、前列腺癌和多发性骨髓瘤等恶性肿瘤晚期患者治疗。