造血微環(huán)境對(duì)造血機(jī)能影響的研究進(jìn)展

陳慧彬，王 茜 綜述 竇永起 審校

解放軍總醫(yī)院 中醫(yī)科，北京 100853

造血干細(xì)胞(hemopoietic stem cells，HSCs)是一類(lèi)多能的、具有自我增殖分化成所有成熟血細(xì)胞的原始造血細(xì)胞，它的生長(zhǎng)及生理功能的發(fā)揮依賴于由造血基質(zhì)細(xì)胞、細(xì)胞之間的基質(zhì)以及骨髓血管和神經(jīng)等構(gòu)成的造血微環(huán)境，它們共同組成復(fù)雜的相互影響的網(wǎng)絡(luò)支架，其中HSCs定居、增殖和分化的主要區(qū)域被稱(chēng)為造血微環(huán)境“龕”(niche)。許多學(xué)者為探討造血微環(huán)境調(diào)控骨髓造血的機(jī)制做了大量的實(shí)驗(yàn)研究[1-2]，綜述如下。

1 骨髓造血微環(huán)境“龕”

1978年，Schofield[3]首次用“龕”來(lái)描述骨髓中適宜HSCs生存的特定微環(huán)境，這種微環(huán)境對(duì)干細(xì)胞生長(zhǎng)[4]、增殖分化及凋亡具有調(diào)節(jié)作用[5]。隨著體內(nèi)成像技術(shù)的發(fā)展以及對(duì)“龕”更深入的動(dòng)態(tài)觀察和研究，根據(jù)位置和功能的不同將骨髓中HSCs“龕”分為兩大類(lèi)，即骨內(nèi)膜HSCs“龕”與血管HSCs“龕”[6]。

1.1 骨內(nèi)膜HSCs“龕” 骨內(nèi)膜“龕”可以支持HSCs長(zhǎng)期生存[7]，具有增加HSCs存活率的作用。Kollet[8]的研究結(jié)果表明，骨內(nèi)膜HSCs“龕”中成骨細(xì)胞是骨髓中HSCs微環(huán)境的重要組成部分[9-11]，它主要分布在骨髓中靠近骨內(nèi)膜的位置，是骨髓基質(zhì)細(xì)胞中一類(lèi)較成熟的細(xì)胞，能直接與HSCs相互作用或通過(guò)分泌一些因子來(lái)調(diào)節(jié)HSCs[10,12-13]。

目前研究認(rèn)為HSCs和成骨細(xì)胞間存在兩種不同的黏附關(guān)系[14]：第Ⅰ類(lèi)型是指二者間即刻建立起的黏附關(guān)系，是由HSCs表達(dá)的N-連接蛋白迅速地糖基化所介導(dǎo)的黏附關(guān)系，它使HSCs定居于成骨細(xì)胞支持的造血生態(tài)位區(qū)內(nèi)，有利于CD34+HSCs與成骨細(xì)胞表面核心黏附分子的結(jié)合由低水平轉(zhuǎn)為高水平。Zhang[12]在轉(zhuǎn)基因動(dòng)物的相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，HSCs的數(shù)量與紡錘形N-鈣黏素CD45-成骨(SNO)細(xì)胞增加呈正相關(guān)，靜止期的干細(xì)胞通過(guò)N-鈣黏著蛋白黏附呈N-鈣黏著蛋白陽(yáng)性的SNOs緊密相連來(lái)維持其靜止?fàn)顟B(tài)，且數(shù)量隨著SNOs數(shù)量的改變而改變。第Ⅱ類(lèi)是指HSCs與成骨細(xì)胞間受體與配體的結(jié)合，由Taichman[15]等首次提出，主要是指整合素β1亞家族中稱(chēng)為VLA(very late activationantigen)中的VLA-4和VLA-5與其受體的結(jié)合所介導(dǎo)黏附關(guān)系。

1.2 血管HSCs“龕” Kiel[16]等用SLAM標(biāo)記對(duì)骨髓中HSCs進(jìn)行定位，發(fā)現(xiàn)有許多HSCs被定位于骨髓血管內(nèi)皮的附近，由此推斷血管內(nèi)皮細(xì)胞可能構(gòu)成了骨髓中另外一類(lèi)HSCs的“龕”，稱(chēng)為血管HSCs“龕”。骨髓造血依賴于一個(gè)完整的、包含了血管HSCs“龕”的微循環(huán)系統(tǒng)，它可以為HSCs提供豐富的營(yíng)養(yǎng)及氧環(huán)境，亦可以分泌多種細(xì)胞因子，這個(gè)微循環(huán)的異常影響HSCs的增殖和分化[17]。

骨髓血管竇內(nèi)皮細(xì)胞表達(dá)多種黏附分子，它們對(duì)HSCs的動(dòng)員、活化、歸巢和遷移均起著重要作用。血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)是調(diào)控血管生成和造血的重要因子之一，可以增強(qiáng)損傷DNA的修復(fù)，降低放射損傷引起的細(xì)胞凋亡[18]。張?jiān)隼鸞19]研究發(fā)現(xiàn)照射組VEGF的mRNA表達(dá)在各時(shí)間點(diǎn)均高于同時(shí)點(diǎn)的非照射組，上清液中VEGF的蛋白含量隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)是一個(gè)先升高到高于非照射組隨后下降至低于非照射組的動(dòng)態(tài)過(guò)程，VEGF的表達(dá)有利于機(jī)體造血的重建，升高可能是機(jī)體的一種代償性反應(yīng)。基質(zhì)源因子-1(stromal derived factor-1，SDF-1)通過(guò)SDF-1-CXCR4軸影響骨髓造血組織中的血管新生及干/祖細(xì)胞歸巢。HSCs和內(nèi)皮細(xì)胞之間的緊密連接在HSCs的歸巢和動(dòng)員過(guò)程中起著重要的作用，而內(nèi)皮細(xì)胞的物理結(jié)構(gòu)及SDF-1-CXCR4軸決定血管“龕”能協(xié)助HSCs的跨內(nèi)皮遷移[20]。Yin[21]等研究發(fā)現(xiàn)，小鼠注射CXCR4拮抗劑AMD3100后，可以快速誘發(fā)小鼠內(nèi)皮祖細(xì)胞的動(dòng)員，且可以通過(guò)破壞內(nèi)皮祖細(xì)胞分泌的細(xì)胞因子SDF-1來(lái)影響SDF-1-CXCR4軸，抑制內(nèi)皮祖細(xì)胞的血管發(fā)生和血管修復(fù)功能。此外，還有許多黏附分子如內(nèi)皮細(xì)胞E選擇素、血管細(xì)胞黏附分子-1等[22-23]，均具有重要的造血調(diào)控作用。

2 骨髓微環(huán)境對(duì)造血過(guò)程的影響

骨髓造血微環(huán)境主要包括造血組織中的基質(zhì)細(xì)胞、細(xì)胞外基質(zhì)和各種造血因子[24]，它可以通過(guò)各種微環(huán)境信號(hào)調(diào)控干細(xì)胞的自我更新、定向分化以及動(dòng)員、增殖、遷移等。

2.1 骨髓基質(zhì)細(xì)胞對(duì)造血功能的影響 骨髓基質(zhì)細(xì)胞是一個(gè)復(fù)雜的異質(zhì)細(xì)胞群，主要包括成纖維細(xì)胞(網(wǎng)狀細(xì)胞)、外膜細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞、脂肪細(xì)胞和成骨細(xì)胞[25]，對(duì)于HSCs長(zhǎng)期造血的維持極其重要。李軍[26]用BALB/C小鼠骨髓基質(zhì)細(xì)胞體外擴(kuò)增培養(yǎng)后移植輸注給化療后的同系小鼠，發(fā)現(xiàn)移植組小鼠外周血白細(xì)胞﹑血小板、T淋巴細(xì)胞增殖反應(yīng)在第7天較單純化療組明顯提高，骨髓細(xì)胞混合集落形成單位數(shù)、骨髓細(xì)胞增殖指數(shù)在第7﹑14天均顯著高于單純化療組。朱舜明[27]亦發(fā)現(xiàn)，照射后小鼠，經(jīng)BMSC移植組外周血象及脾細(xì)胞集落形成單位在移植后明顯高于對(duì)照組。此外，造血干、祖細(xì)胞與貼壁層的骨髓基質(zhì)細(xì)胞的物理性接觸對(duì)體外長(zhǎng)期造血的維持亦具有重要作用。Ueno[28]實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)造血細(xì)胞的生長(zhǎng)依賴于多種基質(zhì)細(xì)胞組成的黏附層及與基質(zhì)細(xì)胞傳導(dǎo)信號(hào)的膜蛋白，HSC/HPC在缺乏骨髓基質(zhì)細(xì)胞的條件下，即使加入外源性生長(zhǎng)因子在體外仍然無(wú)法維持造血細(xì)胞的自我更新及持續(xù)生長(zhǎng)。

2.2 骨髓細(xì)胞因子對(duì)造血功能的影響 骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞通過(guò)分泌多種細(xì)胞因子，如干細(xì)胞因子、集落刺激因子、成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子、白細(xì)胞介素、胰島素樣生長(zhǎng)因子、基質(zhì)細(xì)胞衍生因子、β型轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子等對(duì)造血干、祖細(xì)胞的增殖、分化和發(fā)育及造血起重要的調(diào)控作用。Kna?n-Shanzer等[29]提出造血生長(zhǎng)因子的合理組合可促使HSCs從G0期進(jìn)入增殖期。此外，還存在許多黏附分子、趨化因子，以及具有重要生理功能的膜蛋白等，它們共同協(xié)調(diào)HSC的生命活動(dòng)。其中黏附分子是以受體-配體結(jié)合的形式介導(dǎo)細(xì)胞間及細(xì)胞與基質(zhì)間相互接觸及結(jié)合的一類(lèi)分子，介導(dǎo)造血祖細(xì)胞與造血微環(huán)境中各種成分黏附。有研究表明[30]，慢性再生障礙性貧血的發(fā)病與細(xì)胞黏附分子表達(dá)降低有關(guān)，隨著病情的緩解黏附分子表達(dá)增強(qiáng)。趨化因子是一類(lèi)控制細(xì)胞定向遷移的的小分子分泌性蛋白質(zhì)，由趨化因子受體介導(dǎo)其功能，刺激細(xì)胞趨化運(yùn)動(dòng)，受化學(xué)誘導(dǎo)物及細(xì)胞因子調(diào)節(jié)。Tamkun[31]等首次提出整合蛋白具有調(diào)節(jié)膜的性質(zhì)，造血干/祖細(xì)胞表達(dá)的有關(guān)細(xì)胞黏附分子正是通過(guò)與基質(zhì)細(xì)胞上相應(yīng)的配體形成“配體-整合蛋白-細(xì)胞骨架跨膜系統(tǒng)”，從而影響造血干/祖細(xì)胞的形態(tài)，控制細(xì)胞的增殖分化及凋亡，決定細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)、調(diào)控基因表達(dá)。

膜結(jié)合型干細(xì)胞因子(stem cell factor，SCF)維持著成年骨髓中HSCs的活力，是骨髓骨內(nèi)膜HSCs“龕”的主要成分，尤SCF-KIT通路對(duì)介導(dǎo)骨髓骨內(nèi)膜“龕”的活性起著重要作用。衛(wèi)佳[32]通過(guò)實(shí)驗(yàn)提出SCF可能在維持HSCs功能以及促進(jìn)其體內(nèi)、外擴(kuò)增方面有獨(dú)特的效果，并且膜結(jié)合型SCF是基質(zhì)細(xì)胞與造血祖細(xì)胞黏附的有效刺激劑，它能激活VLA4和VLA5，改變整合素的功能狀態(tài)來(lái)影響骨內(nèi)膜“龕”的黏附性質(zhì)[33]。

Ang/Tie-2信號(hào)通路是近年來(lái)發(fā)現(xiàn)的一條新的血管形成通路，表達(dá)N-鈣黏著蛋白的ANG+成骨細(xì)胞可通過(guò)此通路阻止HSCs分裂和阻止自我更新和分化，維持靜止?fàn)顟B(tài)，進(jìn)而使HSCs趨于穩(wěn)定[34]。Puri[35]發(fā)現(xiàn)HSCs與“龕”通過(guò)Ang/Tie-2信號(hào)通路相互作用，當(dāng)酪氨酸激酶受體Tie-2的下降，Ang/Tie-2信號(hào)通路信號(hào)減弱，HSCs與”龕”之間的趨化、黏附作用被削弱從而動(dòng)員HSCs。

GTP酶蛋白R(shí)ac1和Rac2是哺乳動(dòng)物細(xì)胞的重要調(diào)節(jié)分子，對(duì)在骨髓HSCs“龕”中的HSCs的歸巢、貯留和定居起著重要作用。有報(bào)道[36]發(fā)現(xiàn)小鼠Rac1和Rac2等位基因的缺失會(huì)導(dǎo)致骨髓中HSPCs活化，并進(jìn)入外周血。體外細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)細(xì)胞骨架調(diào)節(jié)分子Rho家族鳥(niǎo)苷酸三磷酸酶(RHOfamily GTPase)RAC1和RAC2的缺失可導(dǎo)致HSPCs增殖下降、向SDF-1遷移和黏附到晚期抗原-4 VLA-4和(或)VLA-5能力減弱[37]。

骨橋蛋白是HSCs的負(fù)性調(diào)控因子之一。OPN是骨組織和血液系統(tǒng)之間的橋梁，可誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。成骨細(xì)胞調(diào)節(jié)骨髓HSCs的數(shù)量的機(jī)制之一可能是由于其分泌酸性的OPN到骨基質(zhì)中[38]。此外，Wnt信號(hào)系統(tǒng)、Notch信號(hào)通路[10]、Hedgehog信號(hào)通路等在造血系統(tǒng)中也具有重要的作用，通過(guò)維持HSCs分化或未分化狀態(tài)、調(diào)節(jié)HSCs細(xì)胞周期來(lái)參與造血的動(dòng)態(tài)平衡的作用。

造血微環(huán)境對(duì)造血調(diào)控有著十分重要的作用，在深入闡明造血微環(huán)境的組成及其與造血干細(xì)胞的相互關(guān)系及機(jī)制的前提下，有助于進(jìn)一步了解某些病態(tài)造血狀況下，造血微環(huán)境缺陷的分子學(xué)基礎(chǔ)，從而為治療復(fù)雜的血液系統(tǒng)疾病提供更有潛能的靶點(diǎn)及新的思路。

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