造血干细胞研究进展（第12期）

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。

1.Cell：利用新型碱基编辑技术研究单核苷酸变异对人类造血干细胞的影响
doi:10.1016/j.cell.2023.03.035
在一项新的研究中，来自美国哈佛医学院、布罗德研究所和哈佛干细胞研究所等研究机构的研究人员使用了一种高度精确的称为碱基编辑（base editing）的基因组编辑技术，对来自患者骨髓的造血干细胞进行了数百次直接编辑。相关研究结果于2023年5月2日在线发表在Nature期刊上，论文标题为“Massively parallel base editing to map variant effects in human hematopoiesis”。

图片来自Cell, 2023, doi:10.1016/j.cell.2023.03.035。

这项新的研究是第一次将这种高通量的碱基编辑技术应用于造血干细胞，该技术可以同时在许多细胞中对DNA进行许多单碱基替换。这些作者展示了基因中的这些单核苷酸变化如何影响血细胞的生物学，并有助于治疗包括白血病和镰状细胞病在内的疾病。这些发现表明该技术如何能够帮助科学家们在多种细胞类型中更多地了解基因变体在疾病中的作用。
论文通讯作者、布罗德研究所副研究员Vijay Sankaran说，“我们的方法使我们不仅能够了解某个特定的基因是否可能与人类疾病有关，而且能够了解该基因的个别变化如何在分子水平上发挥作用。这种更精细的分辨率为我们提供了一个关于疾病如何发生以及如何治疗的新路线图。”

2.Nature：成功开发出一种在体外长期扩增人类造血干细胞的培养系统
doi:10.1038/s41586-023-05739-9
造血干细胞（HSC）是骨髓中重要的未成熟血细胞，经触发后可分化为任何血细胞类型。造血干细胞移植可用于治疗骨髓受损并不再能产生健康血细胞的疾病，但造血干细胞的广泛和安全使用受到实验室（即体外）细胞生长和扩增障碍的限制。如今，在一项新的研究中，来自日本筑波大学、东京大学和庆应义塾大学等研究机构的研究人员建立了一种支持造血干细胞在体外长期扩增的新型培养系统。相关研究结果发表在2023年3月2日的Nature期刊上，论文标题为“Chemically defined cytokine-free expansion of human haematopoietic stem cells”。
人类造血干细胞经常很容易从脐带血中获得，但这产生的造血干细胞数量不足，无法进行适当的移植。虽然体外造血干细胞扩增显然是必要的，但这个目标一直难以实现。在以前的研究中，称为细胞因子的细胞信号分子和一种称为白蛋白（albumin）的蛋白经常被用来刺激造血干细胞的扩增，但只能导致短期的扩增。
论文共同通讯作者Satoshi Yamazaki教授解释说，“其他团队使用新的方法进行造血干细胞体外扩增，包括在细胞培养基中加入小分子、某些水凝胶、各种生长因子或小分子抑制剂，显示了有希望的结果。”
虽然细胞因子曾被认为是体外造血干细胞生长所不可或缺的，但是在这项新的研究中，这些作者猜测还有其他合适的替代方法。从小鼠造血干细胞开始，他们之前发现白蛋白可以被一种合成聚合物取代。这不仅克服了与白蛋白有关的在不同实验中使用的批次之间的差异性问题，而且还防止了通常出现的杂质的消极影响。

3.Cell：震惊！发现人类造血干细胞极易发生铁死亡
doi:10.1016/j.cell.2023.01.020
身体不断地用新的红细胞和白细胞补充血液，这要归功于一个名为造血干细胞（HSC）的小而重要的细胞群体。如今，在一项新的研究中，来自美国布罗德研究所、波士顿儿童医院和达纳-法伯癌症研究所的研究人员发现人类造血干细胞特别容易受到铁死亡（ferroptosis）---一种由铁引发的细胞死亡---的影响。相关研究结果发表在2023年2月16日的Cell期刊上，论文标题为“Human hematopoietic stem cell vulnerability to ferroptosis”。

图片来自Cell, 2023, doi:10.1016/j.cell.2023.01.020。

科学家们主要在癌细胞中研究铁死亡，然而这项新的研究是首次发现正常细胞类型也容易受到这种形式的细胞死亡的影响。这一研究结果还指出了正在开发的促进铁死亡以杀死癌细胞的药物的潜在副作用。他们还提出了治疗由造血干细胞水平低下引起的血液疾病的新策略。
这些作者首先在一种罕见的骨髓疾病中发现了造血干细胞的这种铁死亡易感性，但是惊讶地发现健康的造血干细胞也有这种特征。他们还发现，这种易感性源于这些细胞的蛋白生产速度下降。
论文通讯作者、布罗德研究所研究员Vijay Sankaran说，“这是一个很好的例子，一种罕见疾病可以教会我们更多关于基本生物学过程的知识，否则我们不会发现这些知识。这确实强化了为什么研究罕见疾病可以教会我们一些有广泛价值的东西。”

4.Nature：发现与未定潜能克隆造血相关的新的基因组变异
doi:10.1038/s41586-022-05448-9
在一项新的研究中，来自再生元制药公司（Regeneron Pharmaceuticals）的研究人员发现了与未定潜能克隆造血（clonal hematopoiesis of indeterminate potential, CHIP）有关的新基因组变异。相关研究结果发表在2022年12月8日的Nature期刊上，论文标题为“Common and rare variant associations with clonal haematopoiesis phenotypes”。
先前的研究已表明，在某些人身上存在着与CHIP相关的变异---每种变异都会产生独特的影响。在这项新的研究中，这些作者研究英国生物库和盖辛格MyCode社区健康计划（Geisinger MyCode Community Health Initiative）等大型数据集中的信息，试图找到其中的一些变异。
为了找到他们所寻找的变异，这些作者将他们的搜索工作集中在已与CHIP相关的23个基因上。通过搜索628388人的数据，他们能够确定40208携带着至少携带一个与CHIP相关的变异，随后对他们所确定的携带者进行了全外显子和全基因组研究。在这样做的过程中，他们能够确定24个位点，其中21个位点是以前没有见过的。他们还发现他们能够确定一些可能与某些人的克隆造血和端粒长度有关的变异。

5.JEM：睡眠不足会对造血干细胞产生负面影响，增加炎症性疾病和心血管疾病风险
doi:10.1084/jem.20220081
在一项新的研究中，来自美国西奈山伊坎医学院的研究人员发现长期睡眠不足会对免疫细胞产生负面影响，这可能导致炎症性疾病和心血管疾病。更具体地说，每晚持续失去一个半小时的睡眠有可能增加这些疾病的风险。相关研究结果近期发表在Journal of Experimental Medicine期刊上，论文标题为“Sleep exerts lasting effects on hematopoietic stem cell function and diversity”。

睡眠对造血有长期的影响。图片来自Journal of Experimental Medicine 2022, doi:10.1084/jem.20220081。

这项新的研究首次指出长期睡眠不足改变了产生免疫细胞---也称为白细胞---的造血干细胞内部的DNA结构，这可对炎症产生长期影响，并导致炎症性疾病。免疫细胞对抗感染，但如果这些细胞的数量过高，它们就会反应过度并导致炎症。该研究还首次指出，补觉并不能逆转睡眠中断的影响。
论文共同通讯作者、西奈山伊坎医学院心血管研究所主任Filip Swirski博士说，“这项新研究开始确定就长期而言将睡眠和免疫健康关联在一起的生物机制。它表明，在人类和小鼠中，睡眠中断对免疫细胞的编程和它们的产生速度有深刻的影响，导致它们失去保护作用，实际上使感染变得更糟，而且这些变化是持久的。这很重要，因为另一个关键的观察结果是睡眠会减少炎症，反之，睡眠中断会增加炎症。这项新研究强调了成年人坚持每天睡七到八个小时的重要性，以帮助预防炎症和疾病，特别是对于那些有潜在疾病的人。”

6.Cell子刊：流感病毒感染可导致造血干细胞激活，大量产生血小板，增加肺部血栓风险
doi:10.1016/j.celrep.2022.111447
病毒引起的呼吸道感染可能危及生命。在一项新的研究中，来自德国保罗-埃利希研究所和海德堡大学的研究人员发现，仅限于肺部的流感病毒感染也会导致造血干细胞的激活和血小板的形成增加。血小板可导致血栓形成，这在COVID-19的严重病例中已得到证实。细胞因子IL-1和IL-6参与了造血干细胞激活的过程。相关研究结果发表在2022年10月4日的Cell Reports期刊上，论文标题为“Influenza A virus infection instructs hematopoiesis to megakaryocyte-lineage output”。
为了研究流感病毒感染对血液形成的影响，小鼠鼻内感染了流感病毒，随后对它们的造血干细胞的分化和细胞周期激活情况进行了调查。在急性流感病毒感染的头三天，血小板最初减少（血小板减少），但随后在血液中迅速上升到高于生理水平的水平（血小板增多）。这些迅速产生的血小板具有不成熟的外观（表型），并且更迅速地可被激活（高反应性）。
在感染后仅两天的成熟过程中发现了更多的造血干细胞（G1和S/G2/M细胞周期阶段）。造血干细胞的激活与肺部病毒滴度呈正相关，也就是说，攻击肺部的流感病毒越多，激活的造血干细胞就越多。减少流感病毒剂量的感染延迟了造血干细胞的激活，但不能阻止这种激活。在再生阶段，造血干细胞回到了静止阶段。这在接种流感疫苗的小鼠中发生的速度比其他小鼠组中快。
为了澄清血小板如何能够如此迅速地产生，这些作者仔细观察了活化的造血干细胞的表型，发现造血干细胞的一个亚群已经带有血小板前体细胞---巨核细胞（megakaryocyte）---的典型标志物。具有这种表面表型的造血干细胞直接分化为巨核细胞，并产生血小板。它们跳过了之前的几个阶段。他们通过体外谱系追踪和骨髓移植证实这个造血干细胞亚群在流感病毒感染后在骨髓中迅速增殖。这些新产生的血小板比普通血小板更大，外观更不成熟，而且往往更迅速地激活，这可能导致肺部出现血栓的风险更高。
巨核细胞的快速分化过程确实已经被描述为紧急性巨核细胞生成（emergency megakaryopoiesis），这种情形发生在对系统性炎症或感染的反应中。然而，到目前为止，还没有人猜测这与局部病毒性呼吸道疾病有关。尽管小鼠的流感病毒感染仅限于呼吸道，但在受感染小鼠的骨髓中发现细胞因子IL-1和IL-6的水平增加。他们使用两组基因敲除小鼠：一组关闭了IL-1受体，另一组关闭了IL-6受体，发现这两种细胞因子在流感病毒感染期间对造血干细胞的激活和紧急性巨核细胞生成作出了决定性的贡献。

7.Blood：在异基因造血干细胞移植后，利用表达ADR受体的T细胞有望阻止移植物抗宿主病和癌症复发
doi:10.1182/blood.2022016052
在一项新的研究中，来自美国贝勒医学院和波士顿儿童医院等研究机构的研究人员对称为T细胞的免疫细胞进行基因改造来控制通常在用异基因造血干细胞移植（allogeneic hematopoietic stem cell transplantation, allo-HSCT）治疗白血病后出现的两大威胁生命的并发症：移植物抗宿主病（graft-vs-host disease, GvHD）和癌症复发。他们在动物模型中的研究结果支持进一步开展研究，以确定使用这种方法降低死亡率和改善患者预后的可行性。相关研究结果近期发表在Blood期刊上，论文标题为“Engineering T cells to suppress acute GvHD and leukemia relapse after allogeneic hematopoietic stem cell transplantation”。
Mamonkin解释说，“我们的目标是有选择地去除导致GvHD发生的T细胞，同时保留身体对抗其他疾病的能力。为此，我们需要找到一种方法来识别这些细胞---一种主要在介导GvHD的T细胞表面上而不是在其他细胞中表达的标志物。经过广泛的搜索，我们发现蛋白OX40是一种很有希望的候选标志物。”
为了验证这种靶蛋白，该团队联系了来自波士顿儿童医院的在非人类灵长类动物模型中研究GvHD的的合作者。他们证实OX40在急性GvHD期间在浸润到猕猴靶器官中的T细胞表面上大量存在。
这些作者随后设计了一种名为异体免疫防御受体（alloimmune defense receptor, ADR）的受体，使之在治疗性T细胞表面上表达，从而使得它们能够识别和杀死表达OX40蛋白的T细胞。
在实验室和动物模型中用治疗性T细胞进行的测试表明，表达ADR的T细胞（下称ADR T细胞）非常有效地抑制了介导GvHD的T细胞，并保护动物免受这种致命的并发症。与此同时，Mamonkin说，ADR T细胞并没有对控制病毒感染的“良好”T细胞造成太大的损害，“这让我们相信这种疗法一般不会有免疫抑制作用”。
受到这些发现的启发，该团队将ADR和特异性识别白血病的嵌合抗原受体（chimeric antigen receptor, CAR）结合在T细胞中，以测试这些同时表达ADR和CAR的T细胞是否能对抗造血干细胞移植后的GvHD和癌症复发。事实上，同时表达ADR和CAR的T细胞保护了动物免受GvHD和白血病复发的影响，从而为在这两种并发症的高风险患者身上测试这种方法铺平了道路。

8.Cell：通过膳食补充木糖有望改善异基因造血干细胞移植过程中抗生素治疗引起的移植物抗宿主病
doi:10.1016/j.cell.2022.09.007
在一项新的研究中，来自美国德克萨斯大学MD安德森癌症中心的研究人员确定了一种特定的肠道细菌参与异基因造血干细胞移植（allogeneic hematopoietic stem cell transplantation, allo-HSCT）期间抗生素治疗诱导的移植物抗宿主病（graft-versus-host disease, GVHD）的进展，并发现营养补充可以在临床前动物模型中预防抗生素引起的GVHD。相关研究结果发表在2022年9月29日的Cell期刊上，论文标题为“Mucus-degrading Bacteroides link carbapenems to aggravated graft-versus-host disease”。

图片来自Cell, 2022, doi:10.1016/j.cell.2022.09.007。

在论文通讯作者、德克萨斯大学MD安德森癌症中心基因组医学副教授Robert Jenq和论文第一作者、德克萨斯大学MD安德森癌症中心博士后Eiko Hayase的领导下，这些作者发现某些抗生素改变了肠道的糖成分，迫使一种通常有益的细菌消耗肠道内膜的粘蛋白（mucin），从而导致GVHD等并发症。
Hayase说，“了解这类细菌喜欢某些类型的糖，我们假设添加一种糖，在某种程度上会分散它们攻击肠道中粘蛋白的注意力，减少这些影响。通过这些模型的营养变化，我们了解到我们可以改变肠道微生物组的功能，并帮助避免不良事件。”（生物谷 Bioon.com）