造血干细胞最新研究进展（2021年12月）
造血干细胞（hemapoietic stem cell, HSC）是存在于造血组织中的一群原始造血细胞，它不是组织固定细胞，可存在于造血组织及血液中。造血干细胞在人胚胎2周时可出现于卵黄囊，妊娠5个月后，骨髓开始造血，出生后骨髓成为干细胞的主要来源。在造血组织中，所占比例甚少。现代医学中，造血干细胞在骨髓移植和疾病治疗方面有重要作用。
1988年法国的Gluckman教授在国际上率先成功采用脐血造血干细胞移植，救治了一名贫血患儿，标志着脐带血造血干细胞移植时代的开启。全球现每年约进行6万例骨髓移植术，其中使用自体和同种异体造血干细胞完成骨髓移植术的患者人数分别为近3.5万和2.5万例。
造血干细胞的来源主要包括骨髓、外周血和脐带血。如今，“骨髓移植”已渐渐被“外周血造血干细胞移植”代替。也就是说，现在捐赠骨髓已不再抽取骨髓，而只是“献血”了。 脐带血是胎儿娩出断脐后残留在脐带和胎盘中的血液，富含造血干细胞，可用于治疗急、慢性白血病和某些恶性肿瘤等多种重大疾病。
基于此，小编针对近年来造血干细胞研究取得的进展进行一番梳理，以飨读者。
1.JCI：新方法有望实现更安全的造血干细胞移植
doi:10.1172/JCI145501
对于难以治疗的白血病、淋巴瘤和其他血癌，造血干细胞移植是治疗的黄金标准。该方法涉及用供者的造血干细胞替换患者自身的造血干细胞，并在此过程中根除患者血液、淋巴结和骨髓中的癌细胞。但是许多患有这类致命血癌的患者太脆弱了，无法接受造血干细胞移植。这是因为患者自身的造血干细胞首先必须被高强度化疗所摧毁，有时还必须在给供者注入造血干细胞之前进行全身放疗。这种所谓的调理疗法（conditioning regimen）为即将注入的供者造血干细胞提供了空间，有助于清除残留在体内的癌细胞，并耗尽患者自身的免疫系统，使其无法攻击供者的造血干细胞。然而，这种调理疗法引起的毒性作用和免疫系统抑制，使患者处于感染、器官损伤和其他威胁生命的副作用的高风险中。
图片来自Journal of Clinical Investigation, 2021, doi:10.1172/JCI145501。
如今，在一项新的研究中，来自美国华盛顿大学圣路易斯医学院的研究人员通过研究小鼠，开发出一种不需要放疗或化疗的造血干细胞移植方法。该策略采取了免疫治疗方法，将有针对性地消除骨髓中的造血干细胞与免疫调节药物相结合，从而阻止免疫系统排斥新注入的供者造血干细胞。通过这种新技术，小鼠成功接受了来自无亲缘关系小鼠供者的造血干细胞移植，没有出现危险的低血细胞计数，而传统治疗方案经常出现这一点。这些数据还表明，这种造血干细胞移植可以有效对抗白血病。相关研究结果近期发表在Journal of Clinical Investigation期刊上，论文标题为“Antibody-drug conjugates plus Janus kinase inhibitors enable MHC-mismatched allogeneic hematopoietic stem cell transplantation”。
为了阻止受者的免疫系统随后排斥供者的造血干细胞，这些作者使用称为Janus激酶（JAK）抑制剂的免疫抑制化合物治疗小鼠。在这项研究中，他们主要使用巴瑞替尼（baricitinib），它被美国食品药品管理局（FDA）批准用于治疗类风湿性关节炎。他们发现巴瑞替尼能阻止受者的免疫细胞---包括T细胞和自然杀伤细胞---攻击供者的造血干细胞。
2.Cell子刊：新研究在开发利用现成的HSC-iNKT细胞疗法治疗癌症方面取得重大进展
doi:10.1016/j.xcrm.2021.100449
如今，在一项新的研究中，来自美国加州大学洛杉矶分校的研究人员在开发一种“现成的”癌症免疫疗法方面迈出了关键的一步，这种癌症免疫疗法使用罕见但强大的免疫细胞，有可能大量生产、长期储存并安全地用于治疗各种癌症患者。相关研究结果发表在2021年11月16日的Cell Reports Medicine期刊上，论文标题为“Development of allogeneic HSC-engineered iNKT cells for off-the-shelf cancer immunotherapy”。
图片来自Cell Reports Medicine, 2021, doi:10.1016/j.xcrm.2021.100449。
Yang团队首先使用基因工程对造血干细胞进行编程，使之更有可能产生iNKT细胞，由此产生的iNKT细胞被称为HSC-iNKT。接下来，这些经过基因改造的造血干细胞被放置在模拟胸腺环境的人工胸腺类器官中，其中胸腺是一种专门的器官，在那里T细胞在体内自然成熟。在这种人工胸腺类器官8周后，每个造血干细胞平均产生10万个iNKT细胞。
Yang和她的合作者随后测试了所产生的HSC-iNKT细胞，并比较了它们的抗癌能力与那些称为自然杀伤细胞（NK细胞）的免疫细胞的抗癌能力。他们发现，在实验室培养皿中，HSC-iNKT细胞在杀死多种类型的人类肿瘤细胞---包括白血病、黑色素瘤、肺癌、前列腺癌和多发性骨髓瘤细胞---方面明显优于NK细胞。
Yang团队接下来为HSC-iNKT细胞配备了一种用于一些免疫疗法中的称为嵌合抗原受体（CAR）的特定分子，从而使之能够识别和杀死特定类型的癌症。在这种情况下，他们在HSC-iNKT细胞中加入了靶向在多发性骨髓瘤细胞表面上发现的一种蛋白的CAR，然后测试了这些细胞对抗移植到小鼠体内的人类多发性骨髓瘤肿瘤的能力。这些配备了CAR的HSC-iNKT细胞消除了多发性骨髓瘤，而且接受这种治疗的小鼠在一生中都没有肿瘤，也没有出现移植物抗宿主病等并发症的迹象。
3.JCO：新研究有望扩大为血癌患者提供造血干细胞移植的供者范围
doi:10.1200/JCO.21.02286
长期以来，癌症医生对利用来自患有一种称为克隆性造血（clonal hematopoiesis, CH）的无症状血液病的供者的造血干细胞进行移植是否让受者面临后续健康问题的风险产生分歧。这种担忧甚至促使一些移植中心排除这些人作为供者。
在一项新的研究中，来自美国丹娜-法伯癌症研究所的研究人员发现，在大多数情况下，这种移植是安全和有效的。令他们惊讶的是，他们还发现，如果移植的造血干细胞带有特定的基因突变，受者的复发风险往往比供者没有CH的情形时要低。这一发现可能能够扩大潜在受者的范围。相关研究结果于2021年11月18日在线发表在Journal of Clinical Oncology期刊上，论文标题为“Donor Clonal Hematopoiesis and Recipient Outcomes After Transplantation”。
论文通讯作者、丹娜-法伯癌症研究所的R.Coleman Lindsley博士说，“对于大多数高危血液[血液相关]恶性肿瘤患者来说，供者造血干细胞移植是唯一有可能治愈疾病的治疗方法。如果供者年龄在45岁以下，患者往往会表现得好一些，但如果没有年轻的供者，最好的选择方案可能是选择存在密切亲缘关系的年老兄弟姐妹或亲属作为供者。有强有力的证据表明，CH可以从供者传给受者，但对于这可能对受者产生的影响却知之甚少。在这项新的研究中，我们试图评估这种影响。”
这些作者从来自1727名40岁及以上的供者的造血干细胞样本开始研究。在每个样本中，他们分析了46个基因的突变，这些突变通常在CH中发现。他们发现，388名供者---整个供者群体的22.5%---存在CH。最常见的突变发生于基因DNMT3A（存在于14.6%的供者）和TET2（存在于5%的供者）。
这些作者随后评估了这些供者中102人的基因突变是否仍能在移植三个月后和移植一年后的受者中发现。Lindsley说，“我们发现85%来自供者的CH造血干细胞克隆成功定植。出乎意料的是，我们还发现，当至少1%的移植造血干细胞克隆有DNMT3A突变时，患者总体上比接受非CH造血干细胞移植的患者存活得更久，这种效果是由于疾病复发的几率较低。”
4.Science：抑制捣乱的造血干细胞制造抗炎分子，有望从根源上阻止克隆性造血引发的白血病
doi:10.1126/science.aba9304
随着年龄的增长，我们中的许多人获得了突变，导致我们的一些造血干细胞比其他的造血干细胞增殖得更快，形成它们自己独特的群体或“克隆”。这被称为克隆性造血（clonal hematopoiesis）。在某些情况下，源于单个基因改变或突变的造血干细胞的单个克隆，可以扩展到占一个人的血细胞的30%之多。如果这样的“捣乱（rogue）”克隆获得了更多的突变，它可能导致骨髓增生症（一种罕见的血液疾病），并进而导致白血病。
在一项新的研究中，美国波士顿儿童医院干细胞研究项目主任Leonard Zon博士及其团队想知道是否可以将这些捣乱细胞群体扼杀在萌芽状态，防止潜在的致命白血病的发生。如果可以的话，这可能帮助那些随着年龄增长而发生克隆性造血的成年人，以及患有各种血液疾病的儿童，如Shwachman-Diamond综合征、GATA2缺乏症或RUNX1家族性血小板疾病，其中克隆性造血可在儿童时期产生。相关研究结果发表在2021年11月5日的Science期刊上，论文标题为“Resistance to inflammation underlies enhanced fitness in clonal hematopoiesis”。
造血干细胞分化，图片来自Wikipedia。
在这项新的研究中，Zon团队使用了一种名为Zebrabow的斑马鱼模型，在这种模型中，不同的细胞颜色充当了它们身份的“条形码”。在正常的斑马鱼中，造血干细胞有多种颜色，表明它们的多样性。利用CRISPR，该团队将人类克隆性造血中发现的不同突变引入胚胎斑马鱼。他们随后观察一种颜色的造血干细胞是否因此而成为主导，若是如此，这表明捣乱的造血干细胞克隆已占据了主导地位。
事实上，某些突变，如基因asxl1的突变，确实导致了一个造血干细胞群体---一种单一颜色的细胞---在斑马鱼中占据主导。这些作者随后进一步研究了不同种类的血细胞会因此而开启哪些基因。携带导致克隆性造血的突变的成熟白细胞开启了一系列的炎症基因。相反，突变的造血干细胞则开启了抗炎基因，并制造抗炎分子，保护自己免受炎症影响。当他们敲除这些保护性基因之一---nr4a1---时，这种突变的造血干细胞克隆失去了适应优势，变得不那么占据主导地位。
5.Nature：首次揭示人类胎儿骨髓中的血细胞和免疫细胞如何形成
doi:10.1038/s41586-021-03929-x
在一项新的研究中，来自英国纽卡斯尔大学、剑桥大学、牛津大学和韦尔科姆基金会桑格研究所等研究机构的研究人员对产前人类胎儿骨髓中的血液系统和免疫系统如何发育进行了首次全面分析，发现在短短几周的时间里，许多血细胞和免疫细胞类型产生于发育中的骨髓，包括阻止细菌感染的关键白细胞。相关研究结果于2021年9月29日在线发表在Nature期刊上，论文标题为“Blood and immune development in human fetal bone marrow and Down syndrome”。
在这项新的研究中，这些作者使用单细胞RNA技术来分析发育中的骨髓组织样本，以便确定存在的细胞类型以及这些细胞表达的基因。他们观察到血细胞和免疫细胞迅速多样化，成为不同的特化细胞，包括称为中性粒细胞的白细胞用于防止细菌入侵。这种多样化发生在怀孕中期的前6到7周。与胎儿肝脏相比，发育中的骨髓组织存在大量的B细胞类型，这些B细胞既需要帮助对抗感染，也需要对疫苗作出有效反应。
论文第一作者、纽卡斯尔大学的Laura Jardine博士说，“我们第一次能够确定发育中的骨髓中的所有血细胞和免疫细胞。这甚至使我们能够看到以前从未被详细地描述过的基质细胞---免疫细胞发育所处的环境。我们为发育中的骨髓构建出的这种细胞图谱将成为科学家们的一个巨大资源。”
6.Blood: IL-1介导微生物群诱导的小鼠造血干细胞炎性老化
doi:10.1182/blood.2021011570
衰老与造血和免疫功能受损有关。这在一定程度上是由于造血干细胞(HSC)群体适应度下降和髓系分化偏强造成的。这种与年龄相关的HSC损伤的原因尚不完全清楚。在这里证明，与年轻SPF小鼠相比，老龄SPF野生型小鼠在稳态骨髓(BM)中产生更多的IL-1a/b，其中大部分IL-1a/b来自髓系BM细胞。此外，稳态老化SPF野生型小鼠的血液中含有更高水平的微生物相关分子模式(MAMPs)，特别是TLR4和TLR8配体。
造血系统的老化与成熟和未成熟造血细胞水平的功能损害有关。造血干细胞(HSC)老化3-6的特征是:自我更新能力降低;b)骨髓偏倚造血干细胞数量增加;c)累积的DNA损伤和增殖应激标记;D)细胞凋亡抗性增强;E)表观遗传和转录改变;F)自噬能力的丧失;g)归巢能力降低，粘附分子表达增加。总体而言，衰老与慢性低度炎症有关，这通常被称为“炎症老化”。
7.Cell Stem Cell：干细胞移植或并不会导致供体细胞发生DNA的改变
doi:10.1016/j.stem.2021.07.012
遗传不稳定性是干细胞在再生医学研究中成功应用的一个主要问题，然而，在人类中应用最多的干细胞疗法—造血干细胞移植疗法（HSCT，hematopoietic stem cell transplantation）的突变后果仍然是一个未知数。近日，一篇发表在国际杂志Cell Stem Cell上题为“Antiviral treatment causes a unique mutational signature in cancers of transplantation recipients”的研究报告中，来自荷兰Princess Maxima儿童肿瘤医院等机构的科学家们通过研究发现，干细胞移植并不会导致供体细胞中的DNA发生变化，本文研究提供了重要的证据来证明干细胞移植的安全性。此外，研究人员还发现，抗病毒药物或会引发DNA发生改变；在特殊情况下，该药物甚至能促进癌症的发展，当然这还需要后期进一步的研究来调查这一问题。
在人类机体中与造血干细胞移植相关的突变积累。图片来源：Jurrian http://K.de Kanter，et al. Cell Stem Cell (2021). DOI:10.1016/j.stem.2021.07.012
研究人员在少数患者机体中发现了一种特殊的突变模式或DNA中的“疤痕”，这是其此前并没有观察到的，为了进一步研究这个疤痕，研究人员利用人工智能软件分析了3000多名已经发生扩散的癌症患者或血液并患者的相关研究数据。通过这种方式，研究人员又发现了9名癌症组织中携带有这种DNA疤痕的患者，研究人员注意到，所有患者都接受了药物更昔洛韦（ganciclovir）的治疗，这种药物能用来治疗机体免疫系统严重衰弱的患者机体的严重病毒感染，比如进行过干细胞移植的患者；有意思的是，研究人员还在患有实体瘤的患者中发现了这种DNA疤痕，这些患者在早期进行了肾脏移植以及药物更昔洛韦的治疗。
为了调查药物更昔洛韦是否真的能引发DNA发生改变，研究人员将在实验室中培育的血液干细胞暴露于该药物中，结果他们发现了更昔洛韦引起了他们此前所发现的DNA疤痕，而且更昔洛韦还能导致引发癌症的基因发生变化。随后研究人员还测试了另一种名为膦甲酸（foscarnet）的抗病毒药物，该药物主要用来治疗干细胞移植后机体的病毒感染，但大多数患者因为肾脏所产生的副作用所以并不能长期耐受，在实验室对细胞的测试过程中，膦甲酸并不会引起此前他们利用更昔洛韦进行研究时所发现的额外的DNA改变或DNA疤痕的产生。
8.JCI：ADGRG1对氧化应激下的功能性人造血干细胞有富集作用
doi:10.1172/JCI148329
人类造血干细胞(HSCs)和祖细胞(HPCs)在体外扩增等应激条件下的异质性尚不清楚。本研究发现，体外培养的脐血(CB)CD34+造血干细胞和造血干细胞中SCID再生细胞(src)的频率显著降低。转录组分析和代谢谱显示，人造血干细胞和HPCs线粒体氧化应激随着茎干性的丧失明显增加。极限稀释分析(LDA)显示，在体外培养过程中，功能性人造血干细胞在线粒体活性氧(mitoROS)水平低的细胞群中富集。
通过对mitoROS低细胞群的单细胞RNA测序(scRNA-seq)分析，作者发现，在体外扩增应激下，CD34+CD133+ CB细胞的粘附G蛋白偶联受体G1阳性(ADGRG1+)细胞中，功能性造血干细胞大量富集。GSEA分析显示，CD34+CD133+ ADGRG1+ CB的HSC中富集了MSI2、MLLT3等HSC特征基因。该研究表明，在体外培养过程中，ADGRG1对氧化应激下的功能性人造血干细胞有丰富作用，这可以作为造血干细胞扩增激动剂药物筛选的可靠靶点。
HSC移植(HSCT)是一种成熟和有效的基于干细胞的治疗方法，用于治疗许多血液学或非血液学疾病。然而，移植时使用有限数量的造血干细胞，如CB或基因编辑的造血干细胞，可能导致造血重建不完全或造血功能衰竭。体外扩增是克服造血干细胞稀缺性限制的一种潜在手段。
9.Cell Stem Cell：蛋白HSF1促进造血干细胞在外培养时保持健康和对抗衰老
doi:10.1016/j.stem.2021.07.009
作为血细胞的前体细胞，造血干细胞（HSC）一直是出了名的难以在培养皿中生长。在一项新的研究中，来自美国加州大学圣地亚哥分校和拉霍亚免疫学研究所的研究人员发现了这个潜在的问题为何产生，并开发出一种方法来让体外培养的造血干细胞保持健康。这些发现对寻求造血干细胞移植的患者来说是个好消息，并可能指出了一种抵御造血干细胞衰老的新方法。相关研究结果于2021年8月12日在线发表在Cell Stem Cell期刊上，论文标题为“Hsf1 promotes hematopoietic stem cell fitness and proteostasis in response to ex vivo culture stress and aging”。
图片来自Cell Stem Cell, 2021, doi:10.1016/j.stem.2021.07.009。
在这项新的研究中，论文第一作者、Signer实验室博士后研究员Miriama Kruta博士及其同事们发现在培养皿的外来环境中，造血干细胞开始产生过量的蛋白质，造成极端应激。这种应激状态激活了热休克反应，即一种是由热休克因子1（HSF1）调节的高度保守的应激减少途径。这些作者确定了两种不同的小分子：Hsp90抑制剂坦螺旋霉素（tanespimycin, 全称17-N-allylamino-17-demethoxygeldanamycin，缩写17-AAG）和HSF1激活剂（HSF1 activator, HSF1A），它们都能高度激活HSF1基因。通过向体外培养的造血干细胞中添加这两种小分子中的一种，热休克途径的活性增强有助于重新平衡造血干细胞的平衡状态或者稳态。
10.Cell Stem Cell：揭示造血干细胞休眠新机制
doi:10.1016/j.stem.2021.07.003
在一项新的研究中，来自加拿大玛嘉烈公主癌症中心和多伦多大学的研究人员对休眠的造血干细胞如何被激活有了更广泛的了解，这可能为开发针对一些癌症的治疗方法铺平道路。他们通过对溶酶体进行深入的机理研究取得了这一发现。这项新的研究建立在关于溶酶体的新知识上，显示它们作为关键的信号枢纽，调节长期造血干细胞（long-term hematopoietic stem cell, LT-HSC）。相关研究结果于2021年8月2日在线发表在Cell Stem Cell期刊上，论文标题为“TFEB-mediated endolysosomal activity controls human hematopoietic stem cell fate”。论文通讯作者为玛嘉烈公主癌症中心的John Dick博士和Stephanie Xie博士。论文第一作者为玛嘉烈公主癌症中心的Laura Garcia-Prat博士。
这些作者发现，溶酶体受到蛋白TFEB（transcription factor EB）和MYC的二分调节，以平衡激活LT-HSC所需的分解代谢和合成代谢过程，并指导其谱系命运TFEB介导的内溶酶体途径诱导导致膜受体降解，限制LT-HSC的代谢和有丝分裂激活，促进它们的静止和自我更新，并调控它们的红系-髓系细胞定型（erythroid-myeloid commitment）。相反，MYC参与生物合成过程，同时抑制溶酶体分解代谢，驱动LT-HSC激活。这项研究确定了TFEB介导的溶酶体活性控制是适当和协调的干细胞命运决定的中心调节中心。
这些作者探究了为什么造血干细胞可以保持多年的休眠状态，以及溶酶体如何在这种深度不活跃的状态下持续充当传感器。他们发现，尽管造血干细胞处于休眠状态，但其内部的溶酶体仍然非常活跃，“剪断和灭活”参与干细胞膜内生长信号传递和营养运输的受体，使其保持沉睡状态。
文章原文作者：知乎用户“漫画怪蜀黍”，文章来源https://zhuanlan.zhihu.com/p/446246271
