造血微環(huán)境對惡性血液病的調控

侯 曉 燕

(隴東學院 岐伯醫(yī)學院，甘肅 慶陽 745000)

造血微環(huán)境對惡性血液病的調控

侯 曉 燕

(隴東學院 岐伯醫(yī)學院，甘肅 慶陽 745000)

造血微環(huán)境通常指具有調節(jié)造血干細胞自我更新、分化和增殖的一群由骨髓基質細胞和間充質組織細胞群組成的特定環(huán)境。造血干細胞與造血祖細胞及多種非造血細胞的相互作用是由一種復雜的細胞微環(huán)境調控的。近期研究的熱點集中于發(fā)現(xiàn)造血微環(huán)境的組分及究竟何種因素作用于造血干細胞的產(chǎn)生、靜息和擴增。闡明正常生理狀態(tài)及惡性造血細胞與微環(huán)境的小分子之間相互作用的研究是將來指導臨床的關鍵所在。總結了最新關于造血微環(huán)境生態(tài)學壁龕的見解并呈現(xiàn)了它與血液系統(tǒng)惡性腫瘤的多重鏈接。

造血微環(huán)境；造血干細胞；惡性血液病

Abstract： Hematopoietic microenvironment commonly refers to the pairing of hematopoietic and mesenchymal cell populations that regulates HSC self-renewal,differentiation,and proliferation.Recently,hotspots in the field of stem cell research on the composition of the HSC nich and the molecular factors exchanged between its components,which has implication for HSC production,maintenance and expansion.Hematopoietic stem cells(HSCs)interacted with are modulated by a complex multicellular microenvironment in the bone marrow,which includes both the HSC progeny and multiple non-hematopoietic cell types.Elucidating the mechanism of bidirectional interactions between normal physiological and hematological malignancies cells and their nich holds many promises for future clinical application.This article summarizes the latest insights into HSC niche biology and recent work showing multiple connections between hematological malignancies in the bone marrow microenvironment.

Keywords： hematopoietic microenvironment;hematopoietic stem cells;malignant hematonosis

造血干細胞(Hematopoietic stem cells,HSC)、造血祖細胞(Hematopoietic progenitor cells,HPC)的靜息狀態(tài)、分化及遺傳性測定取決于它們與支持骨髓造血微環(huán)境(hematopoietic microenvironment)的多種細胞及基質細胞群、可溶性造血生長因子和與膜結合的骨髓基質細胞，以及趨化因子和受體間的相互作用[1，2]。這些成分呈網(wǎng)絡結構樣不均勻地分布在整個骨髓空間，但仍主要定位在一個專門的區(qū)域，稱為干細胞壁龕(nich)。1978年，Schofield[3]首次提出了nich的概念，即造血微環(huán)境。壁龕是一個生態(tài)學術語，有機體的壁龕是指有機體生存的地方，有機體所從事的行為，以及有機體與環(huán)境相互作用的方式總稱。第一個體內證明微環(huán)境調控造血干細胞的實驗是采用轉基因小鼠模型，旨在發(fā)現(xiàn)何種成分作用于骨髓微環(huán)境調節(jié)造血干細胞[4]。造血系統(tǒng)在形成各祖細胞及分化成各終末細胞的過程中需要持續(xù)不斷的“營養(yǎng)”補充，這對維持正常細胞的氧合、凝血和免疫功能至為關鍵。源于這種日常綿延不斷的需要貫穿于個體生命的始終，而造血干細胞位于各系別祖細胞的頂端，更是尤為重要。造血干細胞的一個廣泛性臨床運用就是干細胞移植，這是研究血細胞重建的一個重要途徑。不可否認，干細胞自身的遺傳性和免疫功能不可忽視，然而造血微環(huán)境這個概念的提出，使得越來越多的研究者發(fā)現(xiàn)，造血干細胞的增殖始動于造血微環(huán)境[5]。本文著重于強調造血微環(huán)境中細胞組分的非均質性對造血干細胞在分化過程中的價值和重要性，還將討論在生理狀態(tài)及病理過程中造血干細胞是如何與微環(huán)境的多種細胞成分相互調節(jié)，并將引入依據(jù)顯示骨髓造血微環(huán)境在疾病發(fā)病機制中的作用，以及預測通過對微環(huán)境的調節(jié)進而治療疾病的可能性。

1 骨髓造血干細胞的解剖學定位

當前，組織成像學技術的顯著改善已經(jīng)大大地提高了我們對骨髓組織的了解。骨髓組織是一種相當豐富的血管組織。利用標記HSC的細胞群對血細胞進行標記，顯示了造血干細胞的位置主要位于骨髓，而更多近期的研究表明造血干細胞更集中分布于血管周圍及骨膜區(qū)域，因此也有學者依據(jù)位置和功能的不同將造血微環(huán)境劃分為骨內膜造血微環(huán)境和血管造血微環(huán)境。骨髓中的造血微環(huán)境并非靜態(tài)，會因外環(huán)境的變化有所反應。調節(jié)造血干細胞微環(huán)境的一個顯著因素是細胞因子誘導造血干細胞的動員。許多造血細胞因子，包括粒細胞集落刺激因子(G-CSF)，粒細胞-巨噬細胞集落刺激因子(GM-CSF)、血小板生成素(TPO)、Kit配體及FLt3配體都具有動員造血干細胞至血細胞的能力。G-CSF在抑制成熟的成骨細胞時增加骨髓中的CAR細胞，同時G-CSF抑制CXCL12表達多種間充質干細胞群，例如內皮細胞及CAR細胞。CXCL12配體通過作用于CXC趨化因子受體(CXCR4)為造血祖細胞(HSPCs)在骨髓基質細胞進行信號通路，若藥物抑制CXCL12/CXCR4結合，會抑制造血干細胞的靜止狀態(tài)，維持歸巢[7]。對CXCR4骨髓嵌合體的研究表明：破壞CXCL12/CXCR4的信號傳導是促進G-CSF誘導造血干細胞動員的主要機制。Toll樣受體(TLRS)是一個模式識別受體家族，廣泛表達于造血干/祖細胞，內皮細胞及多組間充質干細胞群、nestin-GFP+基質細胞及CAR細胞[8]。最近的研究顯示：TLR信號通過對基底環(huán)境的改變調節(jié)造血，至少在一定程度上，是通過改變造血微環(huán)境調控造血干細胞的。一部分的TLR配體在受到感染的過程中，可能產(chǎn)生脂多糖(LPS)、單鏈RNA和肽。Boettcher[9]等人發(fā)現(xiàn)LPS誘導粒細胞的增加是依賴于TLR4對內皮細胞的刺激，而后續(xù)產(chǎn)生的G-CSF因子的細胞來源尚不清楚。同樣，感染大腸桿菌的小鼠對HSPC的誘導依賴與CXCL12的表達，而這其中部分同樣依賴于TLR4的信號介導。值得注意的是，Rutkowski[10]等人研究顯示，腸道菌群可以通過TLR5誘導細胞因子白細胞介素6(IL-6)的表達促進造血。前列腺素E2(PGE2)是一種不飽和脂肪酸，具有多種生理活性，由環(huán)氧合酶(COX)在炎癥刺激下合成，具有調節(jié)造血干細胞的能力。盡管PGE2在與PGE受體結合后可直接作用于造血干細胞，但仍有證據(jù)顯示PGE2自身可以激活造血微環(huán)境并對造血干細胞產(chǎn)生效應。例如，利用二甲基前列腺素E2對骨髓間充質細胞進行預處理，可促進體外HSPC細胞的形成。PGE2在受到輻射后在造血微環(huán)境中迅速增加，經(jīng)二甲基前列腺素E2治療后的小鼠經(jīng)致死劑量的輻射后抑制了HSPCs凋亡基因的表達并促進HSPCs細胞群在骨髓的活性。此外，PGE2的受體EP4通過調節(jié)間充質細胞及成骨細胞對骨髓造血干細胞進行調控，在臨床上，PGE2的這些作用已經(jīng)在靈長類動物及健康志愿者得到了證實[11]。

2 造血微環(huán)境對惡性血液病發(fā)病機制的影響

最近的數(shù)據(jù)表明，造血微環(huán)境在造血系統(tǒng)惡性腫瘤發(fā)生或進展的過程中作用逐漸突出，包括骨髓增殖性腫瘤(myeloproliferative neoplasmas,MPNs)、骨髓增生異常綜合征(myelodysplastic syndromes,MDS)、急性白血病等。新興的研究數(shù)據(jù)表明，在惡性血液疾病發(fā)展的過程中，造血微環(huán)境會伴隨腫瘤細胞形成給予滋養(yǎng)，相反，正常的造血微環(huán)境卻受到抑制，從而形成惡性循環(huán)。

2.1骨髓增殖性疾病(MPN)

在小鼠的模型中，骨髓基質細胞的改變足以引發(fā)MPNs。經(jīng)過對骨髓移植后的小鼠研究顯示，在體內，維甲酸受體的缺失，RBP JK與DNA的結合域(Notch信號的下游)或視網(wǎng)母細胞瘤細胞在基質細胞中都會引起MPN表型表達。越來越多的證據(jù)表明，造血微環(huán)境影響白血病干細胞的增殖、存活和遷移。當造血干細胞及造血祖細胞(HSC/HPCs)開始惡性轉化為MPNs時，相應的造血微環(huán)境也隨之發(fā)生變化。包括啟動基質細胞纖維化和JAK-AT信號通路的激活[12]。在2008年世界衛(wèi)生組織(WHO)對造血系統(tǒng)疾病和淋巴組織腫瘤分類中，MPNs疾病包括八類，而經(jīng)典費城染色體陰性(PH-)的MPNs包括真性紅細胞增多癥(PV)、原發(fā)性血小板增多癥(ET)和原發(fā)性骨髓纖維化(PMF)[13]。關于骨髓增殖性腫瘤的一個描述即是骨髓及髓外造血器官脾臟顯示一個或多個造血前體細胞的擴增。增殖后的骨髓紅系及巨核細胞系均伴有各自血細胞(紅細胞、白細胞、血小板)成分的增加。而大約95%的PV患者有一個JAK2V617基因的突變或者一個少見的JAK2外顯子的突變，同時當ET及PMF的患者20%～30%肌鈣蛋白發(fā)生突變時同樣可以產(chǎn)生JAK2V617基因的突變，這種發(fā)生概率約50%～60%。研究者觀察到PMF、部分PV及少數(shù)ET患者一個典型的特征是骨髓造血細胞發(fā)生纖維化后具有逐步重塑造血基質細胞并改變造血微環(huán)境的趨勢，這一點已在MPNs患者骨髓纖維化分級方面得到了充分證實[14]。

骨髓結構性的改變及對腫瘤造血細胞進行干擾可以反映出造血系統(tǒng)惡性腫瘤的微環(huán)境的改變。為了突出顯示造血微環(huán)境的細胞組分，有學者運用傳統(tǒng)的光學成像研究及熒光顯微鏡對從ET、PMF及PV患者獲得的骨髓活檢進行石蠟包埋的EDTA脫鈣檢測發(fā)現(xiàn)，多個可溶性的細胞因子有利于導致成纖維細胞表達平滑肌肌動蛋白。在纖維化的MPN患者那里，持續(xù)性肌纖維母細胞大量的分布在骨內膜血管，它的生成由于細胞外基質過度產(chǎn)生膠原從而加劇骨髓纖維化，進而深一步地改變造血微環(huán)境。腫瘤細胞通過產(chǎn)生各種生長因子及細胞因子作用于基質細胞。巨核細胞、單核細胞、巨噬細胞均被認為是促進骨髓纖維化的關鍵。此外，含有新生血管、炎性細胞及促纖維化因子如TGF-1的微環(huán)境會促進骨髓間充質干細胞收縮轉換成SMA+肌成纖維細胞加速并發(fā)展MPNs患者骨髓纖維化的程度[15,16]。

骨髓造血微環(huán)境的異常不僅促進髓系腫瘤的發(fā)生，而且對藥物的治療作用同樣具有負面影響。體外培養(yǎng)觀測表明，基質細胞的衍生因子可以保護JAK2V617F突變細胞對JAK2抑制劑的治療。然而，臨床上長期采用JAK2抑制劑可以對骨髓造血微環(huán)境有一個明顯的調控[17]。這種造血微環(huán)境對細胞纖維化的作用可以從多方面看到，例如作用于肝臟纖維化過程中的炎癥反應等。

2.2骨髓增生異常綜合征

骨髓異常綜合征(MDS)的骨髓造血干細胞通常是過度增殖，但卻以無效造血和血細胞減少為特征。造成這種矛盾現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于這種情況是發(fā)生在前體細胞凋亡晚期。部分研究者認為，造血微環(huán)境是促進血細胞減少的凋亡信號源,促凋亡因子Fas配體是由間質細胞產(chǎn)生的，而其受體在MDS的骨髓造血細胞中表達。MDS患者的間質細胞在支持造血干細胞方面存在缺陷，而這種缺陷同樣存在于MDS患者細胞間的粘附作用。對健康捐贈者與MDS人群骨髓間充質干細胞的共培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)，相對于健康人群，MDS患者的造血干細胞數(shù)量及集落形成單位明顯減少。在小鼠模型中，對正常的造血干細胞微環(huán)境進行活化發(fā)現(xiàn)可以對經(jīng)輻射和化療所導致慢性粒細胞白血病病情有所抑制。此外，移植物抗宿主病的小鼠模型證實了造血微環(huán)境的靶向性，可以對造血干細胞進行調控，這些研究為利用造血微環(huán)境改善骨髓衰竭性疾病提供了一個有力的理論基礎。在大量的遺傳學證據(jù)面前，進一步了解了骨髓造血微環(huán)境如何調節(jié)造血干細胞或誘發(fā)骨髓衰竭的支持性理論，其中一部分原因是由于對造血微環(huán)境這個組分的概念仍在不斷研究和發(fā)展，而另一部分原因是因為部分惡性腫瘤可以修改自身所存在的微環(huán)境。例如，最近的數(shù)據(jù)表明，MDS患者的間充質細胞對異種移植物MDS干細胞尤為關鍵，進一步證明了微環(huán)境有效地參與了MDS的疾病發(fā)展，提示通過對微環(huán)境的刺激可作為治療MDS患者的一個有效策略。

2.3白血病

盡管關于成骨細胞對正常造血干細胞的作用仍有爭議，而最新的遺傳小鼠模型中顯示，成骨細胞同樣作用于白血病的發(fā)展，并且MPNS會轉化為白血病。Kode[18]等人的研究發(fā)現(xiàn)，具有b-catenin活性的等位基因在成骨細胞可誘導髓系白血病的遺傳學改變。在這種遺傳模型下，抑制Notch信號通路，祛除成骨細胞上的Notch配體Jagged1或通過藥物抑制g-分泌酶，阻止急性髓系白血病的發(fā)生。成骨細胞表面表達的骨橋蛋白也可促進白血病的發(fā)展，類似于正常的造血干細胞，骨橋蛋白對靜止狀態(tài)下的白血病干細胞具有調節(jié)作用。在人體異基因移植的急性淋巴細胞白血病(ALL)模型中，對骨橋蛋白進行中和會增加化療時細胞周期的敏感性。內皮細胞同樣被提示參與了白血病的進展。采用一個激活Notch通路的T-急性淋巴細胞小鼠模型，移植后的T-急性淋巴細胞更容易位于骨髓周圍的血管內膜區(qū)，這種T-ALL模型的介導依賴于CXCR4通路。白血病細胞或許也參與了骨髓微環(huán)境的改變。Colmone[19]等人通過對異基因移植后的B-ALL的小鼠模型研究顯示，出現(xiàn)在骨髓中的白血病細胞歸巢受損與來自健康捐獻者的CD34+細胞的動員是相互獨立的而部分可能是與基質細胞表達SCF的增加相關的。類似于JAK2V617F基因突變引起的MPN，侵潤至中樞系統(tǒng)的急性髓系白血病會導致交感系統(tǒng)的改變而減少基質細胞GFP+蛋白的表達，從而進一步促進成骨細胞的擴增。相反，增加表達c-cmotif配體的白血病細胞會抑制成骨細胞，因此，白血病細胞可能對成骨細胞及一般的骨髓微環(huán)境具有不同的影響。最近，Duan[20]等人發(fā)現(xiàn)，對經(jīng)照射產(chǎn)生免疫缺陷的小鼠注入人類急性淋巴細胞白血病細胞會造成由間質細胞群構成的造血微環(huán)境的改變。類似的結構在后續(xù)的化療患者骨髓中也可以觀察到，甚至在這種狀態(tài)下的微環(huán)境會增加急性淋巴細胞白血病對化療的敏感性，提示了在這種特定的微環(huán)境下有利于急性淋巴細胞的化學治療。

2.4轉移性腫瘤

在造血微環(huán)境中的骨髓間充質干細胞相互間作用也可能參與轉移性骨癌的發(fā)展。前列腺癌異基因移植小鼠模型發(fā)現(xiàn)，在微環(huán)境的支持下，前列腺細胞會直接與正常的造血干細胞競爭。此外，通過活化造血干細胞群與CXCR4拮抗劑或者擴增成骨細胞群增加造血微環(huán)境的生態(tài)區(qū)域，會促進前列腺癌的骨轉移。同樣利用乳腺癌異基因小鼠模型，Sethi[21]，溶骨性骨轉移引起的Jagged1蛋白表達激活成骨細胞后會導致骨髓中腫瘤的生長，然而值得注意的是，利用g-分泌酶抑制劑會減弱乳腺癌轉移的發(fā)展。

綜上，骨髓微環(huán)境在正常生理狀態(tài)和惡性造血過程中發(fā)揮了關鍵性作用。骨髓微環(huán)境基質細胞支持造血的能力是動態(tài)的，并對外環(huán)境如炎癥、損傷等應激能力較強。通過對骨髓基質細胞調節(jié)信號的干擾可能為治療惡性造血提供新的策略和靶點。骨髓基質細胞的改變可能作用于惡性造血疾病的進展，利用轉基因小鼠骨髓基質細胞攜帶的遺傳變異原理實驗證實，基質細胞功能異常的小鼠更容易發(fā)生骨髓增殖性疾病(MPNs)，然而，目前尚不清楚基質細胞的突變是否會導致造血系統(tǒng)惡性腫瘤[22]。相反，現(xiàn)有證據(jù)表明，具有改變基質細胞的惡性造血細胞因子，如FGF4，這些潛在的識別因素可能為新的治療提供了方向[23]。一個新興的觀點即惡性細胞因子改變了骨髓造血微環(huán)境中關鍵的基質細胞成分的表達，如CXCL12和Jagged1,進而反過來誘導惡性造血細胞的生長。這些因素也同樣支持正常的造血，究竟需要選擇性地改變何種支持惡性造血細胞增殖的微環(huán)境因素仍需闡明。事實上，骨髓微環(huán)境中正常造血及惡性造血共存可能對治療是一個機會性的操作，因此，針對如何提高正常造血，同時抑制惡性克隆這一問題，我們應繼續(xù)十分重視并進行深入研究。

[1]Enver T,Pear M,Peterson C,Andrews PW.Stem cell states,fates,and the rules of attraction [J].Cell Stem Cell.2009;4(5):387-397.

[2]K.Schepers,T.Campbell,and E.Passegue.Normal and Leukemic stem cell niches;insights and therapeutic opportunities [J].Cell Stem Cell,2015,16(3):254-267.

[3]Schofield R.The relationship between the spleen colony-forming cell and the haemopoietic stem cell [J].Blood Cells,1978,4(1/2):7-25.

[4]Sipkins DA,Wei X,Wu JW,et al.In vivo imaging of specialized bone marrow microenvironment [J].Nature.2005;435(7044):969-973.

[5]Zhang J,Niu C,et al.Identification of the haematopoietic stem cell niche and control of the niche size [J].Nature.2003;425(6960):841-846.

[6]Rompolas P,Mesa KR,Greco V.Spatial organization within a niche as a determinant of stem-cell fate [J].Nature.2013;502(7472):513-518.

[7]Christopher MJ,Liu F,et al.Suppression of CXCL12 production by bone marrow osteoblasts is a common and critical pathway for cytokine-induced mobilization [J].Blood.2009;114(7):1331-1339.

[8]Day RB,Bhattacharya D,et al.Granulocyte colony-stimulating factor reprograms bone marrow stromal cells to actively suppress B lymphopoiesis in mice [J].Blood.2015;125(20):3114-3117.

[9]Boettcher S,Gerosa RC,et al.Endothelial cells translate pathogen signals into G-CSF-driven emergency granulopoiesis [J].Blood.2014;124(9):1393-1403.

[10]Rutkowski MR,Stephen TL,et al.Microbially driven TLR5-dependent signaling governs distal malignant progression through tumor-promoting inflammation [J].Cancer Cell.2015;27(1):27-40.

[11]Hoggatt J,Mohammad KS,Singh P,et al.Differential stem-and progenitor-cell trafficking by prostaglandin E2 [J].Nature.2013;495(7441):365-369.

[12]Wang L,Zhang H,Rodriguez S,et al.Notch-dependent repression of mir-155 in the bone marrow nich regulates hematopoiesis in an NF-kB-dependent manner [J].Cell Stem Cell.2014;15(1):51-65.

[13]J.W.Vardiman,J.Thiele,D.et al.The 2008 revision of the World Health Qrganization(WHO)classification of myeloid neoplasms and acute leukemia: rationale and important changes [J].BLood.2009.114(5):937-951.

[14]R.C.Skoda,A.Duek,and J.Grisouard.Pathogenesis of myeloproliferative neoplasms.Experimental Hematology [J].2015;43(8):599-608.

[15]Y.Shen and S.K.Nilsson.Bone,microenvironment and hematopoiesis.Current Option in Hematology [J].2012.19(4):250-255.

[16]B.Hinz,S.H.Phan,V.J et al.Recent developments in myofibroblast biology:paradigms for connective tissue remodeling.American Journal of Pathology [J].2012;180(4):1340-1355.

[17]H.M.Kvasnicka,J.Thiele,C.E.et al.Ruxolitinib-induced modulation of bone marrow microenvironment in patients with myelofibrosis is associated with inflammatory cytokine levels.in Proceedings of the 56thASH Annual Meeting and Exposition.

[18]Kode A,Manavalan JS,Mosialou I,et al.Leukaemogennesis induced by an activating β-catenin mutation in osteoblasts [J].Nature.2014;506(7487):240-244.

[19]Colmone A,Amorim M,et al.Leukemic cells create bone marrow niches that disrupt the behavior of normal hematopoietic progenitor cells [J].Science.2008;322(5909):1861-1865.

[20]Duan CW,Shi J,Chen J,et al.Leukemia propagating cells rebuild an evolving niche in response to therapy.Cancer Cell [J].2014;25(6):778-793.

[21]Sethi N,Dai X,Winter CG,Kang Y.Tumor-derived JAGGED1 promotes osteolytic bone metastasis of breast cancer by engaging notch signaling in bone cells [J].Cancel Cell.2011;19(2):192-205.

[22]Nombela-Arrieta C,Pivarnik G,Winkel B,et al.Quantitative imaging of haematopoietic stem and progenitor cell localization and hypoxic status in the bone marrow microenvironment [J].Nat Cell Biol.2013:15(5):533-543.

[23]Gao Z,Ding BS,Guo P,et al.Angiocrine factors deployed by tumor vascular niche induce B cell Lymphoma invasiveness and chemoresistance [J].Cancer Cell.2014;25(3):350-365.

【責任編輯趙建萍】

RegulationofHematopoieticMicroenvironmentonMalignantHematonosis

HOU Xiao-yan

(CollegeofQiboMedicine,LongdongUniversity,Qingyang745000,Gansu)

R55:R551

A

1674-1730(2017)05-0080-04

2017-02-25

侯曉燕(1985—)，女，甘肅慶陽人，碩士，主要從事血液病研究。