造血干细胞研究进展

造血干细胞研究进展

摘要：造血干细胞是具有自我更新、高度增殖和多向分化潜能的细胞群体,在人体造血系统中起着至关重要的作用。本文介绍了造血干细胞的生物学特征、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的临床应用和前景。

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的一群原始造血细胞。也可以说它是一切血细胞的原始细胞,即由造血干细胞定向分化、增殖为不同的血细胞系,并进一步生成血细胞。人类造血干细胞首先出现于胚龄第2～ 3周的卵黄囊,在胚胎早期(第2～ 3月)迁至肝、脾,第5个月又从肝、脾迁至骨髓。在胚胎末期一直到出生后,骨髓成为造血干细胞的主要来源。造血干细胞是干细胞中研究最早、最多、最深入的一种,近年来在造血干细胞的多个研究领域均取得了重要进展。

1 造血干细胞的发现

造血干细胞的发现源于第二次世界大战后放射医学的研究， Jacobson 等[1-3]发现小鼠与豚鼠的脾脏与骨髓中存在有一类细胞，即造血干细胞，能够重建经致死剂量射线照射过的小鼠与豚鼠的造血系统。随着单克隆抗体技术与流式细胞分选技术的出现，人们利用多种针对细胞表面抗原的抗体组合，分离到相对较纯的小鼠与人骨髓与胚胎组织中的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的造干细胞方面所做的工作最为杰出[4-9]。长期以来，对于造血干细胞是由多种不同的、可以分化成不同种类成熟细胞所组成，还是由一类可以分化成所有造血系统成熟细胞所组成，人们存有争论。直到 1996 年，Osawa 等[10]通过单个细胞移植的方法，验证了一个造血干细胞就可以重建机体整个的造血系统，才结束了对于这一问题的争论。

2 对小鼠造血干细胞的早期发生的研究

造血干细胞的发生到目前为止，人们对于小鼠造血干细胞的早期发生研究得相对较多。小鼠胚胎在完成原肠运动(gastrulation)后不久，一群中胚层的细胞

就被“决定”(determined)将要分化成造血细胞。小鼠胚胎中的多个组织，如卵黄囊(yolk sac)、主动脉 - 性腺 - 中肾(the aorta-gonadmesonephros region ，AGM) 、胎盘以及胚肝，都先后参与了造血细胞的发生[16,17](图 1)。最早的造血干细胞在第 7.5 天胚胎外的卵黄囊中出现[18]，这时候的造血干细胞主要分化成有核的红细胞，这个时期的造血称为“原始造血”( p r i m i t i v ehematopoiesis)。对BMP-4 基因敲除小鼠的研究显示，BMP(bone morphogenetic protein)信号通路参与了原始造血的过程[19]。原始造血只短暂存在于小鼠胚胎的第 7 至 11 天，主要的功能是为快速生长的胚胎提供氧气供应，随后即迅速消失。在胚胎的第8.5 天，AGM 区域出现第二波造血干细胞[20,21]，这时候胚胎内部的血液循环开始建立，这个阶段的造血称为“永久造血”(definitive hematopoiesis)。永久造血产生的造血干细胞可以分化成造血与免疫系统的所有终端分化细胞，其造血干细胞的功能可以一直延续到成年以后。在小鼠第 10 天的胚胎中，造血干细胞开始向肝脏迁移，到胚胎第 12.5 天时，胚肝成为胚胎最主要的造血器官。在胚胎期的第16天时，胚肝的造血干细胞开始向骨髓中迁移[6]，这种迁移一直持续到出生后。最终，骨髓成为成体动物最主要的造血器官。关于发生在卵黄囊的“原始造血”与发生在AGM 区域的“永久造血”，究竟具有共同的还是相对独立的起源，目前依然存有争论。

3 造血干细胞的生物学特征

造血干细胞是体内各种血细胞的唯一来源,存在于骨髓、脐血和外周血中,具有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

正常情况下,HSC经过不对称性有丝分裂形成两个子代细胞。其中一个仍维持造血干细胞的全部特征,即自我更新(self- renewal)。自我更新使得干细胞池的大小(干细胞数量)和质量维持不变,因而又称为自我维持(self- maintenance)。另一个子细胞在有丝分裂过程中特征发生改变逐渐走向分化的途径,成为不同谱系的祖细胞、前体细胞和成熟的血细胞,替代消耗或者衰老的细胞,从而维持循环的各种血细胞的数量。

3.2 高度增殖潜能

在骨髓中,HSC约占骨髓细胞的0.05%,且大多数处于G0期。正常生理情况下,仅需不足10%的HSC处于增殖状态就足以维持机体恒定造血[1]。放、化疗造成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,从而有更多的HSC进入细胞周期。

3.3 多向分化潜能

HSC不仅可分化为各系统的血细胞系,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,还具有可塑性,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、血管内皮细胞以及多种组织的上皮细胞等。

4、造血干细胞的生物学特征

造血干细胞(HematopoietieStemCell,HSC)是一小群具有高度的自我复制和多向分化潜能的最原始的造血细胞。它具有2个重要的特征:l)高度的自我更新或自我复制能力;2)可分化生成所有类型的血细胞。在发育生物学上,造血干细胞属于成体干细胞的一种。又因其可分化出至少12种血细胞,所以造血干细胞是一种多能的干细胞。正常情况下,造血干细胞经过不对称性有丝分裂形成两个子代细胞。其中一个仍维持造血干细胞的全部特征,即自我更新(sel--fernewal)。自我更新使得干细胞池的大小(干细胞数量)和质量维持不变,因而又称为自我维持(sel--fmiantenance)。另一个子细胞可能由于基因表达模式发生改变而使得细胞特征出现变化,从而逐步走上分化的道路。现已知道,造血干细胞不是纯一的细胞群体,而是由不同年龄等级的干细胞组成。这些不同年龄等级的干细胞的表面抗原、免疫表型和粘附分子的表达不一,生物学特性也有一定的差异。

5 造血干细胞的表面标志

HSC存在着不同发育阶段、数量极少、体积较小、比重较轻、形态相似,没有特异的形态学特征,至今仍不能单从形态学上来识别。因此要对HSC进行研究,首先必须能把它从造血组织中分离出来。最常用的方法就是利用HSC表面的标志蛋白对其进行分离。

5.1 CD34抗原

CD34分子为105～ 120kD的高度糖基化的I型跨膜糖蛋白,选择性表达于早