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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 造血干细胞讨论进展摘要：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点、外表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；人类造血干细胞第一显现于胚龄第 2 3 周的卵黄囊 , 在胚胎早期 第 2 3 月 迁至
2、肝、脾 ,第 5 个月又从肝、脾迁至骨髓；在胚胎末期始终到诞生后, 骨髓成为造血干细胞的主要来源；造血干细胞是干细胞中讨论最早、最多、最深化的一种 , 近年来在造血干细胞的多个讨论领域均取得了重要进展；1 造血干细胞的发觉造血干细胞的发觉源于其次次世界大战后放射医学的讨论, Jacobson 等1-3 发觉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耀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显现, 人们利用多种针对细胞外表抗原的抗体组合,别离到相对较 纯 的 小 鼠 与 人 骨 髓 与 胚 胎 组 织 中 的 造 血 干 细 胞 与 造
3、 血 前 体 细 胞 群hematopoietic progenitorcell；其中,美国斯坦福高校 Weissman 试验室在别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,仍是由一类可以分化成全部造血系统成熟细胞所组成,人们存有争辩；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,才终止了对于这一问题的争辩；2 对小鼠造血干细胞的早期发生的讨论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讨论得相对较多； 小鼠胚胎在完
4、成原肠运动 gastrulation1 后不久,一群中胚层的细胞名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 9 页精选学习资料 - - - - - - - - - 就被 “打算 ” 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, 都先后参加了造血细胞的发生 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显现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
5、 i m i t i v ehematopoiesis； 对 BMP-4 基 因 敲 除 小 鼠 的 研 究 显 示 , BMPbone morphogenetic protein 信号通路参加了原始造血的过程 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供应氧气供给,随后即快速消逝；在胚胎的第8.5 天, AGM 区域显现其次波造血干细胞20,21 ,这时候胚胎内部的血液循环开头建立,这个阶段的造血称为“永久造血 ” definitive hematopoiesis 造血与免疫系统的全部终端分化细胞,；永久造血产生的造血干细胞可以分化成 其造血干细
6、胞的功能可以始终连续到成年以后；在小鼠第 10 天的胚胎中,造血干细胞开头向肝脏迁移, 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头向骨髓中迁移 6 ,这种迁移始终连续到诞生后；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”,到底具有共同的仍是相对独立的起源, 目前依旧存有争辩；3 造血干细胞的生物学特点造血干细胞是体内各种血细胞的唯独来源, 存在于骨髓、脐血和外周血中,具有自我更新或自我维护才能、高度增殖潜能、多向分化潜能；3.1 自我更新或自我维护才能正常情形下 ,HSC
7、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点, 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点发生转变逐步走向分化的途径, 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,从而维护循环的各种血细胞的数量；3.2 高度增殖潜能2 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 9 页精选学习资料 - - - - - - - - - 在骨髓中 ,HSC约
8、占骨髓细胞的 0.05%,且大多数处于 G0期；正常生理情形下 , 仅需不足 10%的 HSC处于增殖状态就足以维护机体恒定造血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发动剂等因素作用下 ,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, 如红细胞系、粒细胞系、单核- 吞噬细HSC不仅可分化为各系统的血细胞系胞系、巨核细胞系以及淋巴细胞系, 仍具有可塑性 , 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点造血干细胞 HematopoietieStemCell,
9、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 个重要的特点 :l 高度的自我更新或自我复制才能 ;2 可分化生成全部类型的血细胞； 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；正常情形下 , 造血干细胞经过不对称性有丝分裂形成两个子代细胞；其中一个仍维护造血干细胞的全部特点 , 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 和质量维护不变 , 因而又称为自我维护sel-fmiantenance；另一个子细胞可能由于基因表达模式发生转变而使得细胞特点显
10、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外表抗原、免疫表型和粘附分子的表达不一5 造血干细胞的外表标志, 生物学特性也有肯定的差异；HSC存在着不同发育阶段、数量极少、体积较小、比重较轻、形状相像 , 没有特异的形状学特点 , 至今仍不能单从形状学上来识别； 因此要对 HSC进行讨论 ,第一必需能把它从造血组织中别离出来；最常用的方法就是利用HSC外表的标志蛋白对其进行别离；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 , 挑选性表达于早3 名师归
11、纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 9 页精选学习资料 - - - - - - - - - 期造血干 / 祖细胞、小血管内皮细胞及胚胎成纤维细胞外表, 可能具有细胞间粘附、阻遏造血细胞分化等功能, 随着细胞分化成熟逐步削减甚至消逝；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 , 极少为 HSC；最近讨论说明 , 绝大多数 CD34+细胞同 时表达 CDCP1,别离纯化的 CDCP1细胞可使 NOD/SCID小鼠重建造血 , 提示 CDCP1是一种新的造血干细胞外表抗原标志
12、3 ；近年应用 Ly5 抗原等位基因不同的大鼠品系进行竞争性长期重建 competitive long term recon-sititution,CLTR分析 , 发觉大鼠体内存在有CD34-的 HSC群, 并可分化为 CD34+的 HSC4, 同时在人、豚鼠和恒河猴骨髓细胞以及人脐血中亦发觉具有长期重建造血才能的 CD34-细胞 , 并且在长期培育后可形成集落 , 相伴集落的形成亦由 CD34-转变为 CD34+,可见 ,CD34+造血细胞起源于 CD34-；CD34外表标志从无到有 , 又从有到无 , 充分显示了造血干 / 祖细胞产生、发育、分化和成熟的全过程；5.2 胸腺抗原 - 1T
13、hy- 1,CD90 CD34分子显现得早 ,Thy- 1是细胞外表 I 型Thy- 1 抗原作为造血干细胞比糖蛋白连接分子 , 表达在早期造血细胞外表, 与细胞间粘附有关 , 介导负增殖信号 ,抑制细胞的增殖分化 5 ；CD34+ Thy- 1+细胞约占 CD34+细胞群的 0.1% 0.5%,是具有高度自我更新才能和多项分化潜能的造血干细胞；因 Thy- 1+是造血干细胞外表的早期标志 , 故可利用其为标志进行造血干细胞的挑选 6 ；5.3 血管内皮生长因子受体 - 2vascular endo- thelial growth factor receptor- 2, VEGFR- 2, 又
14、称 KDRZiegler7 提出 KDR是鉴定干细胞的标志 , 并可由此鉴别干细胞和祖细胞；用 RT- PCR证明 ,在人诞生后的造血组织中 ,0.1% 0.5% 的 CD34+细胞表达 KDR,多能造血干细胞只存在于 CD34+KDR+ 细胞部分 , 而 CD34+ KDR-细胞亚群就主要包括一些系特异的定向祖细胞； 用有限稀释法分析接受异种骨髓移植小鼠CD34+ KDR+细胞中的 HSC的比例结果证明 , 在骨髓中 ,HSC的比例为 20%,经 12周长期培育 LTC分析 , 骨髓、外周血和脐血中 HSC可达 25% 42%,如在长期培育过程中添加 VEGF,HSC的比例可增至 53% 6
15、3%；因此 ,KDR是一个可用于定义造血干细胞 , 并使其区分于造血祖细胞的阳性功能性标志；5.4 干细胞因子受体 SCFR,又称 c- kit,CD117 4 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 9 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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%的 CD34+造血干细胞同时表达 CD117；其配体- - 干细胞因子 stem cell factor,SCF在造血干细胞的生存和增殖分化中起着重要作用 , 讨论发觉 CD34+ CD117+比 CD34+
16、CD117-细胞具有更高的集落形成能 力； CD117也存在于肥大细胞和急性髓样白血病细胞外表；5.5 AC133抗原它是一相对分子质AC133是更早期造血祖细胞和造血干细胞的特异性标记；量为 120kD的糖蛋白 , 可与一种新的杂交瘤细胞系所产生的抗干细胞糖蛋白抗原 的单克隆 IgG 抗体特异性结合； AC133挑选性地表达于人胎肝、骨髓和外周血中 的 CD34+造血干 / 祖细胞外表；与 CD34抗原表达不同的是 ,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 , 同时,AC133+细胞群含有比CD34+细胞群更多的早期造血细胞, 再植效率更
17、高 , 而且与白血病和内皮细胞关系亲密 8,9 ；6 造血干细胞的可塑性 Plastieiyt 造血干细胞的可塑性是指除可以分化为各系血细胞外, 仍可以分化为多种非造血组织的细胞 , 如神经细胞、骨骼肌细胞、心肌细胞、肝脏细胞、血管内皮细胞以及多种组织的上皮细胞等；目前对造血干细胞多向分化的机制仍不清晰 , 对这一机制的探讨以及对造血干细胞定向分化的调控将大大扩展其在临床上的应用；由于这不仅可以绕过用人的胚胎干细胞作为移植治疗的细胞来源 , 而且可以减轻异基因移植带来的免疫排斥问题；7 造血干细胞的临床应用造血干细胞正广泛应用于一些疾病的治疗, 并取得了可观的疗效, 成为干细胞讨论和应用的胜利
18、范例；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到达治病的目的 , 如抗肿瘤等；目前已建立了体外诱导扩增树突状细胞 DC的方法 , 可以从脐带血或自体的外周血干细胞诱导扩增出大量的 5 DC,进一步使其装载肿瘤特名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 9 页精选学习资料 - - - - - - - - - 异性抗原后 , 诱导抗原特异性 CTL杀伤肿瘤细胞； DC回输疗法已胜利地试用于非 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的治疗；基因治疗 基因治疗是指将外源基因或核酸导入人体防治疾病的一种技术和治疗方法；为了使带有目
19、的基因的细胞在病人体内长期或永久地表达 自我更新和自我维护的永不消亡的细胞作为宿主细胞；, 必需选一种能在体内 造血干细胞因其能自我更新、多向分化 , 在体内常态造血过程中永不耗竭 , 同时在分化过程中能保持基因组DNA的相对稳固 , 从而成为某些疾病基因治疗的一种抱负靶细胞；利用造血干细胞作为基因治疗的靶细胞其优势在于:1 取材简单 , 来源于患者自体或脐带血 ;2 自我更新才能强 , 有利于基因长期、稳固的表达 ;3 造血干细胞具有向各系分化的才能, 由其分化而成的细胞便可随血液循环分布到身体各处, 利于其所揭带的外源基因更大限度地发挥治疗作用 ;4 造血干细胞无论在骨 髓内仍是在循环血中
20、 , 目的基因产物都能通过血循环而到达靶器官14；近年来 , 随着造血干细胞采集、别离纯化、体外培育、扩增、以及移植等技 术日趋成熟 , 使造血干细胞在基因治疗中的应用得到了技术保证；但由于造血干 细胞仅占骨髓细胞的 0. 001%, 故培育和别离纯化不易；运用造血干细胞做基因治疗的讨论, 目前面临的最大困难是人类造血干细胞的基因导入率特别低； 这主要是由于人的造血干细胞外表缺乏装载治疗基因的重组逆转录病毒载体的受体 , 而且 , 人的造血干细胞大部分处于 G0 静止期 , 用重组逆转录病毒载体装载的治疗基因很难整合到静止期的细胞染色体基因组中去；现在, 国内外不少先进的试验室正对此进行深化讨
21、论；一旦这些难题得到明白决 ,造血干细胞移植治疗的适应症可以大大扩展造血干细胞移植; 肿瘤的治疗也会显现一个新的纪元；造血干细胞移植技术已经逐步成熟并且得到广泛的应用 , 已经成为治愈恶性血液病和实体瘤等疾病的牢靠挑选, 成为干细胞讨论和应用的胜利范例；大量基础和临床讨论说明 , 经发动的外周血中CD细胞数量是骨髓中的2 倍, 因此目前用的细胞因子发动的外周血干细胞移植已取代了最初采纳的骨髓来源干细胞的移植；这不仅由于从外周血收集细胞比骨髓中收集更简单6 , 痛楚小、无需麻醉 , 不需名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 9 页精选学习资料 - - - - - - - - -
22、 留院便能采集到更好的细胞, 而且外周血于细胞移植具有重建造血功能快、免疫功能复原早、存活率更高、并发症轻等骨髓干细胞移植所不具备的几个显著优点；造血干细胞移植后骨髓功能的全面重建主要包括 胞功能的复原及细胞之间相互作用功能的完善2 个方面 , 即骨髓细胞数量和细 , 后者主要指免疫功能；外周血干细胞更简单归巢可能是外周血移植时造血和免疫重建比骨髓移植快的缘由之一；脐带血因其免疫抗原性较弱的特点, 被认为是极具潜力的自骨髓来源和外周血来源后 , 第 3 种造血干细胞移植的来源；而每份脐血的含量仅在lxlO7左右 , 因此目前一般只用于儿童；有了造血干细胞移植的支持 的放疗、化疗 , 最大限度地
23、清除患者体内的癌细胞, 临床医生就可以使用超大剂量 , 然后植人造血干细胞重建被破坏的造血和免疫系统； 随着临床和基础讨论的进展 , 为其他器官的移植奠定基础 ,又是造血干细胞移植作为支持治疗的另一个方面；异基因造血干细胞移植后 , 可在受者体内诱导形成供者一受者嵌合体, 使受者产生对供者特异的、 终生的耐受；这样 , 再进行组织或器官移植 , 就可以降低免疫排斥发生的强度 . 从而提高移植物的存活率；通报 206 年第 41 卷第 2 期此外 , 通过对自体造血干细胞进行遗传修饰后 , 使其缺陷基因的功能得到补充, 也可以用于再生障碍性贫血、 p 地中海贫血等骨髓造血功能衰竭和某些先天遗传性
24、疾病或代谢系统疾病的移植治疗 , 而且绕过了免疫排斥的问题； 通过基因修饰 , 仍可以给予干细胞及其子代细胞新的特性 ,如转入多药耐药基因 MDR可使其抗击化疗带来的清髓效应 ; 导入某种基因使其可抗击 HW的感染等；造血干细胞与白血病干细胞近年来,随着癌症干细胞 cancer stem cell理论的升温,以及在多种肿瘤组织中间续别离到具有“ 自我更新” 与“ 定向分化” 才能的癌症干细胞,使得人们对癌症干细胞的起源, 以及组织干细胞与癌症干细胞相互关系的讨论日益深化；Dick 试验室通过将 AML 白血病患者的不同的细胞群移植入免疫缺陷的 SCID 小鼠模型,发觉 CD34+CD38- 细
25、胞 群 能够在 小 鼠 中引发 AML 白血病 ,而CD34+CD38+ 与 CD34- 细胞群就无法引发白血病,显示白血病干细胞可能存在于CD34+ CD38- 细胞群中 108 ；之后, Dick 试验室又证明白血病干细胞起源于正常的造血干细胞,而不是造血前体细胞109 ；然而, Armstrong试验室利用7 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 9 页精选学习资料 - - - - - - - - - MLL-AF9 白血病小鼠模型, 发觉造血前体细胞可以经突变后转变成白血病干细胞110 ；目前的观点认为,白血病干细胞既可以由正常的造血干细胞经过基因突变丢失对其自我更新
26、功能的负向调控而产生,也可能由正常的造血前体细胞或终端分化细胞经过基因突变重新获得了“ 自我更新” 才能而得来 图 4 ；假如查找到能够特异性杀伤癌症干细胞的药物或治疗手段,将极大地提高癌症治疗的成效；如前所述,癌症干细胞具备很多与正常组织干细胞相像的特性,因此人们担忧在使用药物对癌症干细胞进行杀伤的同时,可能也会对正常的组织干细胞造成损害； 然而 Morrison 试验室的一项讨论说明, 白血病干细胞与正常的造血干细胞对药物会有不同的反应,能够实现在不损耗正常造血干细胞的前提下,对白血病干细胞实施有效地杀伤 44 ；因此,鉴定不同组织来源的癌症干细胞与正常组织干细胞在代谢途径上差异,然后挑选
27、或设计特异性药物杀伤癌症干细胞,将是今后癌症干细胞讨论的一个重要方向；8 挑战与展望尽管造血干细胞已经胜利地运用于临床疾病的治疗,讨论依旧面临着很多挑战；但是目前造血干细胞的第一,与胚胎干细胞以及其他种类的组织干细胞 如神经干细胞 不同,造血干细胞目前尚无法实现在体外的长期培育；在体外培育状态下, 造血干细胞更倾向于分化而非自我更新；目前脐带造血干细胞移植很少用于成人白血病的治疗,其主要缘由就是脐带血中的造血干细胞数量太少,无法满意成人治疗所需； 因此,讨论细胞内因子与微环境信号对维护造血干细胞自我更新的作用机制,对于最终实现造血干细胞在体外的长期培育与扩增具有重要意义；其次,近年来 i PS
28、 技术的建立与进展解决了长期困扰干细胞治疗领域中的免疫排斥问题；可以第一利用患者自身皮肤的成纤维细胞建立自身的 i PS ,然后在体外将 i PS 定向分化成所需要的细胞,最终植回患者体内,用于疾病的治疗；尽管有报道显示,特定的转录因子,如 Hoxb-4 与 Cdx-4 可以使胚胎干细胞向造血细胞方向分化 113,114 ,然而将胚胎干细胞或 i PS细胞在体外分化成造血干细胞的技术目前依旧面临很多难题；查找与鉴定在胚胎早期掌握造血干细胞发生发育的关键因子以及关键的信号通路,将有助于最终实现在体外定向诱导8 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 9 页精选学习资料 - - -
29、 - - - - - - 胚胎干细胞或 i PS 细胞向造血干细胞的有效分化；第三,讨论在各种病理状态 白血病、贫血、衰老、代谢反常等 或应激状态 如炎症 / 感染、组织损耗等 下造血干细胞功能的变化、 造血与免疫系统中终端分化细胞对造血干细胞与前体细胞的可能的反馈调剂作用,以及造血免疫系统外的其他组织与器官对造血干细胞功能可能的调剂作用,也是今后造血干细胞讨论领域的重要方向； 最终,造血干细胞的功能讨论剧烈依靠于体内试验,因而需要借助转基因和基因敲除 / 敲入等动物模型；因此,今后对造血干细胞功能进行更加深化地讨论, 仍将依靠于更多新型动物模型的建立,并在此基础上对人造血干细胞进行系统地讨论,最终运用于造血系统疾病的临床治疗；HSC具有可塑性 , 故可用于探究定向诱导分化的条件、调控机理以及用来代替病变或者功能失调的器官 18 ；9 结 语近年来 , 随着造血干细胞相关技术的不断进展和完善, 越来越多的曾被称为“ 不治之症” 的顽疾逐步被攻克 , 尽管该领域仍存在着大量问题 , 如移植适应证确实定、移植对受者长期生存质量的影响、造血生长因子发动干细胞后对供者的远近期影响、干细胞体外扩增回输体内后的安全问题等 21, 但随着讨论的进一步深化 , 必将全面揭示造血干细胞的庞大潜力和宽阔的临床应用前景；9 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 9 页