造血干细胞

造血干细胞 一 定义 造血干细胞是骨髓中的干细胞，具有自我更新能力并能分化为各种血细胞前体细胞，最终生成各种血细胞成分，包括红细胞、白细胞和血小板。也是存在于造血组织中的一群原始多能干细胞。可分化成各种血细胞，也可转分化成神经元、少突胶质细胞、星形细胞、骨骼肌细胞、心肌细胞和肝细胞等。 干细胞可以救助很多患有血液病的人们，最常见的就是白血病。虽其配型成功率相对较低，且费用高昂，但其治疗效果好且捐献造血干细胞对捐献者的身体并无很大伤害。 二 特征 人体内所有的血细胞都来自造血干细胞（ｈｅｍａｔｏｐｏｉｅｔｉｃ ｓｔｅｍ　ｃｅｌｌｓ，ＨＳＣ）的定向分化。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，有两个重要特性： （１）高度的自我更新或自我复制能力； （２）可定向分化、增殖为不同的血细胞系，并进一步生成血细胞。造血干细胞采用不对称的分裂方式：由一个细胞分裂为两个细胞。其中一个细胞仍然保持干细胞的一切生物特性，从而保持身体内干细胞数量相对稳定，这就是干细胞自我更新。而另一个则进一步增殖分化为各类血细胞、前体细胞和成熟血细胞，释放到外周血中，执行各自任务，直至衰老死亡，这一过程是不停地进行着的。 三 造血干细胞的造血原理 1 造血干细胞具有多潜能性，即具有自身复制和分化两种功能。在胚胎和迅速再生的骨髓中，ＨＳＣ多处于增殖周期之中；而在正常骨髓中，则多数处于静止期，当机体需要时，其中一部分分化为成熟血细胞，另一部分进行分裂增殖，以维持ＨＳＣ的数量相对稳定。人类ＨＳＣ首先出现于胚龄第２～３周的卵黄囊，在胚胎早期（第２～３个月）迁至肝、脾，第５个月又从肝、脾迁至骨髓。从胚胎末期一直到出生后，骨髓成为ＨＳＣ的主要来源。造血干细胞进一步分化发育成不同血细胞系的定向干细胞。定向干细胞多数处于增殖周期之中，并进一步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。2 由造血干细胞分化出来的淋巴细胞有两个发育途径，一个受胸腺的作用，在胸腺素的催化下分化成熟为胸腺依赖性淋巴细胞，即T细胞；另一个不受胸腺，而受腔上囊（鸟类）或类囊器官（哺乳动物）的影响，分化成熟为囊依赖性淋巴细胞或骨髓依赖性淋巴细胞，即B细胞。并分别由T、B细胞引起细胞免疫及体液免疫。如机体内造血干细胞缺陷，则可引起严重的免疫缺陷病。 四 ＨＳＣ的面标志和定向分化过程 1 ＨＳＣ的表面标志 ＨＳＣ是第一种被认识的组织特异性干细胞，目前主要是通过表面标志来分离纯化ＨＳＣ, 其中有一种方法是用抗体来检测干细胞相关的表面分子ｃ－ｋｉｔ，Ｓｃａ－１，Ｔｈｙ１．１和造血谱系标志如Ｂ２２０，ＣＤ３和Ｍａｃ－１。通过这种方法得到的ＨＳＣ只占所有骨髓细胞中很小的一部分，其特征是低表达或不表达造血谱系标志ｌｉｎ和Ｔｈｙ１．１，高表达ｃ－ｋｉｔ和Ｓｃａ－１，即（ｌｉｎｌｏ／－ｃ－ｋｉｔ＋Ｓｃａ－１＋Ｔｈｙ１．１ｌｏ）。这部分ＨＳＣ可进一步细分为两类： 一类是可以长期保持很强的自我更新能力的ＨＳＴ，表面标志 为Ｔｈｙ１．１ｌｏ　ｌｉｎ－Ｓｃａ－１＋ｃ－ｋｉｔ＋，或用其他方法得到的ＣＤ３４－Ｆｌｔ３－ＬＳＫ 和ＣＤ１５０＋ＣＤ２２４－ＣＤ４８－，这部分细胞约占骨髓细胞总数的１／１００００。 另一类为只有短期自我更新能力的ＨＳＴ，这部分干细胞的表面标志为Ｔｈｙ１．１ｌｏ　ｌｉｎｌｏ　Ｓｃａ－１＋ｃ－ｋｉｔ＋，或用其他方法得到的ＣＤ３４＋Ｆｌｔ３－ＬＳＫ，约占骨髓细胞总数的１／２０００。 2 定向分化过程 ＬＴ－ＨＳＣ能在体外维持重建造血超过１０周，而ＳＴ－ＨＳＣ在体外造血只能保持大6周左右，然后分化为多能造血祖细胞（ＭＰＰｓ），ＭＰＰｓ已经丧失了自我更新的能力，但仍保持多向分化能力，可以分化为任何一种终末血细胞。由于ＭＰＰｓ丧失了自我更新的能力，因此从ＳＴ－ＨＳＣ到ＭＰＰ的分化也被认为是造血系谱限制的开始。 ＭＰＰｓ进一步可分化为淋巴系祖细胞和髓系祖细胞；其中淋巴系祖细胞可分别经过早Ｂ淋巴细胞（Ｐｒｏ－Ｂ　ｃｅｌｌ）、早Ｔ淋巴细胞（Ｐｒｏ－Ｔ　ｃｅｌｌ）和未成熟自然杀伤细胞（Ｐｒｏ－ＮＫ　ｃｅｌｌ）最终分化为成熟的Ｂ淋巴细胞（Ｂ　ｃｅｌｌ）、Ｔ淋巴细胞（Ｔ　ｃｅｌｌ）和自然杀伤细胞（ＮＫ　ｃｅｌｌ）； 而髓系祖细胞可分化为粒系／单核系祖细胞（ＧＭＰ）和巨核系／红系祖细胞（ＭＥＰ）。粒系／单核系祖细胞可进一步分化为单核巨噬细胞（ｍｏｎｏｃｙｔｅ　ｍａｃｒｏｐｈａｓｅ）和粒细胞（ｇｒａｎｕｌｏｃｙｔｅ），后者又分为嗜酸性粒细胞（ｅｏｓｉｎｏｐｈｉｌ，Ｅ）、嗜碱性粒细胞（ｂａｓｏｐｈｉｌ）和中性粒细胞（ｎｅｕｔｒｏｐｈｉｌｉｃｇｒａｎｕｌｏｃｙｔｅ）。巨核系／红系祖细胞可继续分化为红系祖细胞和巨核系祖细胞，前者经过有核红细胞、网织红细胞等阶段最终分化为成熟红细胞（ｅｒｙｔｈｒｏｃｙｔｅ），后者分化为成熟巨核细胞（ｍｅｇａｋａｒｙｏｃｙｔｅ），并可以持续生成血小板（ｐｌａｔｅｌｅｔｓ）。此外，树突状细胞（ｄｅｎｄｒｉｔｉｃ　ｃｅｌｌｓ）可由粒系／单核系祖细胞分化而来，也可由淋巴系祖细胞直接分化生成。 五 造血干细胞与造血相关调控信号通路   ＨＳＣ是一类能够自我更新、自我分化的细胞群体。在发育过程中，机体对这两个过程之间的平衡进行精密调节，一些信号通路在这一调节过程中发挥非常重要的作用。 1 Ｗｎｔ信号通路   Ｗｎｔ家族蛋白是一类在多个组织中都有表达的信号分子，可以影响机体发育的多个进程。Ｗｎｔ信号在许多类型的干细胞中对细胞增殖起了关键作用，近来的研究证实Ｗｎｔ还影响干细胞分化，并且与了对ＨＳＣ的自我更新调控。在胚胎期，Ｗｎｔ蛋白（主要是Ｗｎｔ５Ａ和Ｗｎｔ１０Ｂ）在胎肝和卵黄囊中都有表达，而造血祖细胞表达Ｗｎｔ１０Ｂ说明Ｗｎｔ蛋白通过自分泌的形式发挥作用。在含有Ｗｎｔ１、Ｗｎｔ５Ａ或Ｗｎｔ１０Ｂ与干细胞生长因子ｓｔｅｅｌ的培养基中，胎肝来源的造血祖细胞可以被激活１１倍之多。体外集落形成试验证实，细胞在有Ｗｎｔ蛋白存在时可以保留未成熟特性。此外，纯化的Ｗｎｔ蛋白和有活性的β－ｃａｔｅｎｉｎ能增强鼠类ＨＳＣ在体外的自我更新和在体内的造血重建能力。然而，最新的研究表明Ｗｎｔ３ａ缺陷小鼠体内ＨＳＣ数量明显减少，这些干细胞谱系分化能力未受影响，但自我更新和复制能力严重丧失。这也说明Ｗｎｔ家族蛋白调控信号通路的复杂性。 2 Ｎｏｔｃｈ信号通路　 Ｎｏｔｃｈ基因在很多物种中都有表达，哺乳动物中发现有４个Ｎｏｔｃｈ同源体。Ｎｏｔｃｈ蛋白是一个结构高度保守的表面受体，主要包括胞外区、跨膜区和胞内区。Ｎｏｔｃｈ信号通路在ＨＳＣ中高度活化，而在外周淋巴器官和成熟的血细胞中几乎不活化，在骨髓和外周血中也观察到Ｎｏｔｃｈ活性在造血分化时下调。另外Ｎｏｔｃｈ信号通路下游主要靶基因ＨＥＳ１在ＨＳＣ高水平表达，而在更成熟的祖系细胞中表达水平显著降低。此外，Ｎｏｔｃｈ信号的阻断导致体外ＨＳＣ分化加速和体内干细胞数量的减少，导致了更高的分化 率，从而阻断了ＨＳＣ 未分化状态的维持，所以认为活化的Ｎｏｔｃｈ信号能抑制ＨＳＣ分化，维持其多潜能性，并可进一步促进其增殖。 3 转化生长因子β（ＴＧＦ－β）信号通路 ＴＧＦ－β基因超家族由一类结构、功能相关的可以调节细胞生长和分化的多肽生长因子亚家族组成，这一家族除ＴＧＦ－β外，还有活化素（ａｃｔｉｖｉｎｓ）、抑制素（ｉｎｈ─ｉｂｉｎｓ）和骨形成蛋白（ｂｏｎｅ　ｍｏｒｐｈｏ－ｇｅｎｅｔｉｃ ｐｒｏｔｅｉｎｓ，ＢＭＰｓ）等。ＴＧＦ－β家族成员广泛存在于从果蝇到人多种生物的各种组织中。就可以检测到ＴＧＦ－β１的表达，而在胚胎发育的后期，胎肝的血细胞和早期内皮细胞也都有ＴＧＦ－β１的表达，这提示ＴＧＦ－β１在造血发育和血管生成中可能发挥调控能。ＴＧＦ－β是一种关键的调节物，对造血对干／祖细胞的增殖有抑制作用。 ＨＳＣ增殖分化是最基本的生命活动之一，其调控的分子机制一直是学术界的研究热点，近年来多种信号通路的发现都为研究ＨＳＣ增殖分化的调节机制研究提供了一定的线索，除 了本文上面介绍的Ｗｎｔ、Ｎｏｔｃｈ和ＴＧＦ－β信号通路之外，还有ＪＮＫ、ＲＡＲ、ＲＸＲ、ＭＢＰ、ＭＥＫ、ＥｒＫ等多条信号通路都发现对ＨＳＣ的特性调控有一定的影响。 六 胎盘造血干细胞的基本介绍   胎盘是胎儿和母亲血液交换的场所，含有非常丰富的血液微循环。人在母亲子宫内发育的阶段，胎盘是首先形成的器官之一。胎盘中含有大量的早期干细胞，包括数量丰富的造血干细胞。这些干细胞在胎盘中行使着造血的功能。小孩出生后剥离的胎盘内所含的造血干细胞，可以分化形成各种血细胞（红细胞、白细胞、血小板等）的祖宗，注射到体内可以发挥造血功能。胎盘组织中造血干细胞的含量是脐带血中造血干细胞含量的8-10倍，可供小孩自用几次，甚至可提供给多个成人患者的治疗。 胎盘造血干细胞移植能有效解决了骨髓或动员后外周血来源不足，脐带血中造血干细胞数量不够成人使用等技术难，将有望取代骨髓、动员后外周血和脐带血用于异基因或同基因（小孩本人的）造血干细胞移植。 胎盘造血干细胞移植可以用来治疗多种血液系统疾病和免疫系统疾病，包括血液系统恶性肿瘤（如白血病、多发性骨髓瘤、骨髓异常增生综合症、淋巴瘤等）、血红蛋白病、骨髓造血功能衰竭（如再生障碍性贫血）、先天性代谢性疾病、先天性免疫缺陷疾患、自身免疫性疾患等多种疾病。 胎盘的采集简便易行，不会引起母亲和新生儿任何不适的感觉或产生任何不良的影响。过去胎盘通常作为废物丢弃，而从胎盘中提取造血干细胞进行保存，是宝贵的生命资源再生。并且数据显示，造血干细胞基因稳定、不易突变，动物实验证明无致瘤性和促瘤性，使用安全可靠，对适应症范围疾病治疗效果好，优于传统医疗手段。 七 造血干细胞用途 造血干细胞移植是现代生命科学的重大突破。造血干细胞移植可治疗恶性血液病，部分恶性肿瘤，部分遗传性疾病等 75 种致死性疾病。包括急性白血病、慢性白血病、骨髓增生异常综合征、造血干细胞疾病、骨髓增殖性疾病、淋巴增殖性疾病、巨噬细胞疾病、遗传性代谢性疾病、组织细胞疾病、遗传性红细胞疾病、遗传性免疫系统疾病、遗传性血小板疾病、浆细胞疾病、地中海贫血、非血液系统恶性肿瘤、急性放射病等。 造血干细胞移植( hem atopo ietic stem ce ll transplantation,HSCT) 是指对患者进行全身照射、化疗和免疫抑制预处理后, 将正常供体或自体的造血干细胞( H SC) 经血管输注给患者, 依靠H SC 具有增殖、分化为各系成熟血细胞的功能和自我更新能力, 使患者重建正常的造血和免疫功能。 造血干细胞移植包括骨髓移植（BMT），胎肝造血细胞移植，外周血干细胞（PBSC）移植及脐带血造血细胞移植。 1 BMT是临床最常用的造血干细胞移植。临床分为同基因BMT（SBMT）、异基因BMT（ALLO-BMT）及自身BMT（ABMT）三种类型前两种主要用于肿瘤性血液病，遗传性血液病及某些代谢性疾病，而自身BMT多用于白血病和实体瘤患者。脐血可用于同基因或异基因移植，也可用于自身造血重建，凡符合BMT适应症的病均可用脐带血移植代替。 2 人胎肝造血细胞临床应用方式有两种，一种为胎肝细胞输注（FLCI），另一种是胎肝移植（FLT）。用胎肝细胞输注的疾病有再障，白血病、阵发性睡眠性血红蛋白尿症、范可尼贫血、急性粒细胞缺乏症、重症肝炎或失代偿期的肝硬化、化疗中的实体瘤，肾性贫血等。胎肝移植治疗的疾病有重症联合免疫缺陷病、白血病、再障、地中海贫血、晚期淋巴瘤、急性放射病等。胎肝细胞用于临床由于取材方便，输注安全，不发生严重的移植物抗宿主病，故显示一定的前景。 3 外周血肝细胞移植的临床应用报道有治疗急性白血病、慢性粒细胞性白血病及恶性肿瘤。与骨髓、胚胎肝的造血干细胞移植相比，外周血肝细胞移植的优点是造血及免疫功能重建早；放射线的敏感性低，受体内植入率高；自身外周血残存肿瘤细胞比骨髓少；采集方便、不需骨髓穿刺，易被接受。 八 小结 由于移植免疫学的进展，人类造血干细胞移植已进入一个新的发展阶段，它已成为细胞工程学中的一个重要组成部分。因为有了造血干细胞移植技术，世界各地成千上万患有以上疾病的患者，重新燃起了生命的希望。                                                           宋亚平                                                 生技082  20083580