骨髓血管微環(huán)境對造血干細胞“干性”的維持作用

劉 莉，涂懷軍，彭 婷，喻松霞，賀 玲，李 劍*

(南昌大學(xué)第二附屬醫(yī)院1.血液病研究所;2.神經(jīng)內(nèi)科，江西南昌330006)

造血干細胞(hematopoietic stem cells，HSCs)微環(huán)境是指在造血組織中HSCs 定居以及進行自我更新并能產(chǎn)生大量造血祖細胞的特定場所。目前認為HSCs 微環(huán)境是由骨內(nèi)膜微環(huán)境和血管微環(huán)境組成，骨內(nèi)膜微環(huán)境可維持HSCs 處于靜止?fàn)顟B(tài)及自我更新的能力，而血管微環(huán)境則促進HSCs 動員、增殖及分化。近年諸多實驗證據(jù)顛覆了這一概念，血管微環(huán)境也可分泌生長因子、信號分子及功能蛋白調(diào)節(jié)HSCs 的自我更新和歸巢，并與骨內(nèi)膜微環(huán)境協(xié)同作用維持人體血液和免疫系統(tǒng)的平衡。

1 血管細胞在胚胎發(fā)育期對HSCs 發(fā)育的作用

在人胚胎發(fā)育期，血管系統(tǒng)在HSCs 的形成及擴增過程中就起著關(guān)鍵作用。血管內(nèi)皮細胞(endothelial cells，ECs)和HSCs 在胚胎期均起源于共同的前體細胞即成血-血管細胞［1］，在妊娠期間骨髓腔未形成之前，HSCs 就具有自我更新和分化的能力，證明這期間支持HSCs 的造血微環(huán)境與骨髓基本無關(guān)。在胎盤中，HSCs 的生存及造血都依賴脈管系統(tǒng)，此時HSCs 存在于卵黃囊、主動脈-性腺-腎區(qū)與卵黃動脈附近［2］。胚胎期的造血微環(huán)境跟成人的造血微環(huán)境存在很大的差別，其調(diào)控HSCs 的機制也不同于成人，但HSCs 對血管細胞的依賴一直從胎兒期延續(xù)至成人。

2 血管微環(huán)境中各種細胞相互作用調(diào)控HSCs

血管微環(huán)境是由造血組織中的血竇ECs 及血管周圍細胞組成的特定血管區(qū)域。血竇由一層薄而有孔的ECs 組成，其無支持細胞覆蓋而與骨髓實質(zhì)細胞直接接觸。圍繞血竇存在的是各種異質(zhì)血管周圍細胞，已確認可調(diào)控HSCs 的主要細胞類型有網(wǎng)狀細胞、間充質(zhì)干/祖細胞、巨核細胞，竇周其他類型細胞如脂肪細胞是否參與調(diào)控HSCs 將有待于深入的研究。ECs 在血管微環(huán)境中充當(dāng)主軸，其在解剖位置和生物功能上都與血管周圍基質(zhì)細胞有著緊密聯(lián)系。

在體內(nèi)巨核細胞與骨髓ECs 之間直接接觸是生成血小板的必需要素，巨核細胞可通過成纖維細胞生長因子-4(fibroblast growth factor-4，F(xiàn)GF-4)增強其黏附在血管微環(huán)境中的能力，并活化趨化因子基質(zhì)細胞衍生因子-1(stromal-derived factor-1，SDF-1)促進其跨內(nèi)皮遷移，并依賴促血小板生成素(thrombopoietin，TPO)促進血小板的生成［3］。巨核細胞還可分泌與骨相關(guān)的蛋白質(zhì)如骨橋蛋白參與調(diào)控HSCs［4］，其與成骨細胞在體外共培養(yǎng)時，能促進成骨細胞的增殖［5］?？梢娋藓思毎Cs 與成骨細胞三者之間相互作用調(diào)控HSCs。

網(wǎng)狀細胞廣泛分布在骨髓中，其包括兩類:成纖維細胞和上皮樣網(wǎng)狀細胞。其中上皮樣網(wǎng)狀細胞能黏附HSCs 和祖細胞并支持造血島的形成。血竇壁外膜網(wǎng)狀細胞(CXCL12 abundant reticular，CAR)與ECs 是分泌CXCL12 的重要細胞來源。CXCL12/CXCR4 能促進ECs 的遷移而助于外周血管的形成，推測CAR 也可能通過CXCL12/CXCR4 招募ECs 助于血竇的重塑。由于短期內(nèi)去除CAR 細胞會影響脂肪細胞和成骨細胞的生成，故CAR 被認為是脂肪-成骨前體細胞［6］。

骨髓血竇周圍存在一類間充質(zhì)干/祖細胞，其具備自我更新、增殖的能力，可分化為骨髓基質(zhì)細胞。間充質(zhì)干/祖細胞高表達CD146+且位于血竇內(nèi)皮下，高表達的CD146+可用于區(qū)分骨髓基質(zhì)細胞與其他細胞。骨髓CD146+細胞在體外培養(yǎng)時能分化成多個譜系細胞，包括成骨細胞、軟骨細胞、脂肪細胞，而間充質(zhì)干細胞(mesenchymal stem cells，MSCs)也具備這種特性［7］。骨髓CD146+細胞被移植到老鼠皮下可形成細胞結(jié)構(gòu)與內(nèi)源性骨髓相似的異位造血骨髓組織，同樣條件下移植入CD146－細胞則形成骨［8］，說明CD146+細胞在造血骨髓的形成中可能起重要作用。

CAR 和骨髓CD146+細胞都可分化為成骨細胞和脂肪細胞，那么它們之間還存在什么聯(lián)系呢?有學(xué)者認為CAR 是存在于骨髓中具有組織特異性的周細胞［9］。而體外培養(yǎng)的CD146+細胞能表達周細胞標(biāo)志物，如NG2、PDGFRβ 等，表明CD146+細胞與周細胞有著共同的特征。而腦組織中的周細胞具有MSCs 的功能，采用綠色熒光蛋白標(biāo)志嵌合體大鼠腦缺血模型的骨髓間充質(zhì)干細胞(bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs)，在大鼠體內(nèi)可觀測到位于脈管系統(tǒng)周圍的BMSCs 具有與周細胞相同的特征，且在腦組織中血管生成素-1(angiopoietin-1，Ang-1)主要由周細胞分泌，細胞培養(yǎng)也證實SDF-1 表達于周細胞而非ECs［10］。故推測，網(wǎng)狀細胞、骨髓CD146+細胞與周細胞三者可能都來源于MSCs，或三者是同類異質(zhì)細胞。骨髓中CAR 或CD146+細胞可能有助于血竇的形成，它們在造血微環(huán)境中所扮演的角色可能與周細胞在血管中所扮演的類同，包括與ECs 的互動、血管屏障作用、血管重構(gòu)作用及分泌促進血管新生的信號分子等。

3 血管微環(huán)境參與維持HSCs 的自我更新及增殖

為了測試ECs 是否調(diào)節(jié)HSCs 的自我更新［11］，通過篩選人體多種組織來源的ECs 與HSCs 在體外共培養(yǎng)，結(jié)果顯示這些ECs 都支持HSCs 的體外擴增，且在大腦內(nèi)皮細胞(human brain endothelial cells，HUBECs)中發(fā)現(xiàn)過表達的肝素結(jié)合生長多效因子(pleiotrophin，PTN)可促進HSCs 損傷后的再植，而后實驗證明骨髓血管微環(huán)境中ECs 和CAR 分泌PTN 可維持HSCs 的自我更新及再生［12］。血管微環(huán)境中分泌的PTN 與SDF-1/ CXCR4 協(xié)同作用調(diào)節(jié)造血干/祖細胞(hematopoietic stem/progenitor cell，HSPS)定居在骨髓中，基于這個特性，將來可能在HSCs 的移植中利用抗-PTN 促進HSPS 的動員。

Ang-1/Tie-2 在維持HSCs 處于靜止期和抑制HSCs 的凋亡中起著重要作用，在面臨應(yīng)激造血時可保護HSCs 不被耗竭。骨髓中除了成骨細胞外，CD146+細胞也能分泌Ang-1［13］。ECs 中Tie2 結(jié)合Ang-1 后，Tie2 磷酸化后激活P13K/Akt 信號通路，Akt 激活后通過招募mTOR 而上調(diào)內(nèi)分泌性血管舒縮障礙因子，支持CD34－Flt3－KLS HSPCs 的擴展和長期造血干細胞(long term-Hematopoietic stem cell，LT-HSCs)的再植能力［14］。血竇ECs 還高表達血管生成素樣蛋白3(angiopoietin-like protein 3，Angptl3)，在穩(wěn)態(tài)環(huán)境中其可維持HSCs 的靜止?fàn)顟B(tài)，而在HSCs 移植中其可提高HSCs 的再植能力［15］，Angptl3 能抑制轉(zhuǎn)錄因子Ikaros 的表達，Ikaros 過表達時會減少HSCs 的再增殖活性，但Angptl3 的自身受體還未知。

干細胞因子(stem cell factor，SCF)/C-kit4 可促進HSCs 的自我更新及增殖。通過采取來自水母的表達綠色熒光蛋白的基因交換小鼠中表達SCF 的基因［16］，結(jié)果發(fā)熒光的細胞是骨髓ECs 和血管周圍細胞，且當(dāng)SCF 從ECs 或血管周圍細胞中去除則導(dǎo)致HSCs 耗竭，當(dāng)ECs 和血管周圍細胞中的SCF 都丟失，則導(dǎo)致HSCs 幾乎完全消失，證明SCF 主要來源于ECs 和血管周圍細胞，并運用基因重組小鼠分別證明了成骨細胞和表達巢蛋白的BMSCs 分泌的SCF不是HSCs 所必需的。

4 血管微環(huán)境可促進HSCs 的歸巢、動員及分化

血管微環(huán)境中ECs、CAR 和CD146+細胞均能分泌SDF-1。SDF-1 通過激活HSCs 和ECs 的黏附分子如E-和P-選擇素，及促進基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase，MMPs)和血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)的分泌等機制來介導(dǎo)HSCs 跨內(nèi)皮遷移和歸巢［17］。推測血管微環(huán)境分泌的SDF-1 與骨內(nèi)膜表面分泌的SDF-1 構(gòu)成濃度差調(diào)控HSCs 的歸巢或動員。在低氧條件下的缺血性腎臟中觀察到SDF-1/CXCR4 聯(lián)合CXCR7 可促進MSCs 的動員及旁分泌活動［18］，且CXCL12/CXCR7 可促進腫瘤細胞的增殖以及新生血管的形成［19］，而在造血微環(huán)境低氧條件下，SDF-1/CXCR7是否促進HSCs 的增殖以及血竇的形成呢?

c-Mpl/TPO 是巨核細胞分化和血小板生成的必需信號通路。當(dāng)采用myb 和P300 基因突變而導(dǎo)致小鼠體內(nèi)的巨核細胞和血小板數(shù)量增加［20］，發(fā)現(xiàn)HSCs 在循環(huán)中的增加量與血清TPO 下降水平一致，反映了TPO 調(diào)控巨核細胞的分化，而巨核細胞的分化又反過來調(diào)控循環(huán)中TPO 和HSCs 的水平，在受到損傷時這種反饋機制可保持HSCs 與血細胞之間的動態(tài)平衡，表明HSCs 會受到其分化后的子代細胞的調(diào)控。

5 總結(jié)

骨髓中血管微環(huán)境與骨內(nèi)膜微環(huán)境在解剖位置上緊密聯(lián)系，可通過多種信號分子和細胞因子相互作用共同調(diào)節(jié)HSCs 的自我更新和歸巢，但在生物功能上哪個占主導(dǎo)作用呢?目前的研究偏向于血管微環(huán)境，但血管微環(huán)境中還存在哪些必要的分子機制?人體是否還存在未知的HSCs 微環(huán)境?雖然造血組織的血管結(jié)構(gòu)有別于非造血組織，但依據(jù)骨髓CAR和CD146+細胞與周細胞的相似特性，是否可推測非造血組織中的血管ECs 與周細胞之間存在的信號通路也可能存在于造血組織內(nèi)呢?對這些問題的深入研究定會進一步了解HSCs 自我更新與增殖的調(diào)控機制。

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