造血微環境對造血機能影響的研究進展

陳慧彬，王 茜 綜述 竇永起 審校

解放軍總醫院 中醫科，北京 100853

造血干細胞(hemopoietic stem cells，HSCs)是一類多能的、具有自我增殖分化成所有成熟血細胞的原始造血細胞，它的生長及生理功能的發揮依賴于由造血基質細胞、細胞之間的基質以及骨髓血管和神經等構成的造血微環境，它們共同組成復雜的相互影響的網絡支架，其中HSCs定居、增殖和分化的主要區域被稱為造血微環境“龕”(niche)。許多學者為探討造血微環境調控骨髓造血的機制做了大量的實驗研究[1-2]，綜述如下。

1 骨髓造血微環境“龕”

1978年，Schofield[3]首次用“龕”來描述骨髓中適宜HSCs生存的特定微環境，這種微環境對干細胞生長[4]、增殖分化及凋亡具有調節作用[5]。隨著體內成像技術的發展以及對“龕”更深入的動態觀察和研究，根據位置和功能的不同將骨髓中HSCs“龕”分為兩大類，即骨內膜HSCs“龕”與血管HSCs“龕”[6]。

1.1 骨內膜HSCs“龕” 骨內膜“龕”可以支持HSCs長期生存[7]，具有增加HSCs存活率的作用。Kollet[8]的研究結果表明，骨內膜HSCs“龕”中成骨細胞是骨髓中HSCs微環境的重要組成部分[9-11]，它主要分布在骨髓中靠近骨內膜的位置，是骨髓基質細胞中一類較成熟的細胞，能直接與HSCs相互作用或通過分泌一些因子來調節HSCs[10,12-13]。

目前研究認為HSCs和成骨細胞間存在兩種不同的黏附關系[14]：第Ⅰ類型是指二者間即刻建立起的黏附關系，是由HSCs表達的N-連接蛋白迅速地糖基化所介導的黏附關系，它使HSCs定居于成骨細胞支持的造血生態位區內，有利于CD34+HSCs與成骨細胞表面核心黏附分子的結合由低水平轉為高水平。Zhang[12]在轉基因動物的相關實驗研究中發現，HSCs的數量與紡錘形N-鈣黏素CD45-成骨(SNO)細胞增加呈正相關，靜止期的干細胞通過N-鈣黏著蛋白黏附呈N-鈣黏著蛋白陽性的SNOs緊密相連來維持其靜止狀態，且數量隨著SNOs數量的改變而改變。第Ⅱ類是指HSCs與成骨細胞間受體與配體的結合，由Taichman[15]等首次提出，主要是指整合素β1亞家族中稱為VLA(very late activationantigen)中的VLA-4和VLA-5與其受體的結合所介導黏附關系。

1.2 血管HSCs“龕” Kiel[16]等用SLAM標記對骨髓中HSCs進行定位，發現有許多HSCs被定位于骨髓血管內皮的附近，由此推斷血管內皮細胞可能構成了骨髓中另外一類HSCs的“龕”，稱為血管HSCs“龕”。骨髓造血依賴于一個完整的、包含了血管HSCs“龕”的微循環系統，它可以為HSCs提供豐富的營養及氧環境，亦可以分泌多種細胞因子，這個微循環的異常影響HSCs的增殖和分化[17]。

骨髓血管竇內皮細胞表達多種黏附分子，它們對HSCs的動員、活化、歸巢和遷移均起著重要作用。血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)是調控血管生成和造血的重要因子之一，可以增強損傷DNA的修復，降低放射損傷引起的細胞凋亡[18]。張增利[19]研究發現照射組VEGF的mRNA表達在各時間點均高于同時點的非照射組，上清液中VEGF的蛋白含量隨著培養時間的延長是一個先升高到高于非照射組隨后下降至低于非照射組的動態過程，VEGF的表達有利于機體造血的重建，升高可能是機體的一種代償性反應?；|源因子-1(stromal derived factor-1，SDF-1)通過SDF-1-CXCR4軸影響骨髓造血組織中的血管新生及干/祖細胞歸巢。HSCs和內皮細胞之間的緊密連接在HSCs的歸巢和動員過程中起著重要的作用，而內皮細胞的物理結構及SDF-1-CXCR4軸決定血管“龕”能協助HSCs的跨內皮遷移[20]。Yin[21]等研究發現，小鼠注射CXCR4拮抗劑AMD3100后，可以快速誘發小鼠內皮祖細胞的動員，且可以通過破壞內皮祖細胞分泌的細胞因子SDF-1來影響SDF-1-CXCR4軸，抑制內皮祖細胞的血管發生和血管修復功能。此外，還有許多黏附分子如內皮細胞E選擇素、血管細胞黏附分子-1等[22-23]，均具有重要的造血調控作用。

2 骨髓微環境對造血過程的影響

骨髓造血微環境主要包括造血組織中的基質細胞、細胞外基質和各種造血因子[24]，它可以通過各種微環境信號調控干細胞的自我更新、定向分化以及動員、增殖、遷移等。

2.1 骨髓基質細胞對造血功能的影響 骨髓基質細胞是一個復雜的異質細胞群，主要包括成纖維細胞(網狀細胞)、外膜細胞、巨噬細胞、內皮細胞、脂肪細胞和成骨細胞[25]，對于HSCs長期造血的維持極其重要。李軍[26]用BALB/C小鼠骨髓基質細胞體外擴增培養后移植輸注給化療后的同系小鼠，發現移植組小鼠外周血白細胞﹑血小板、T淋巴細胞增殖反應在第7天較單純化療組明顯提高，骨髓細胞混合集落形成單位數、骨髓細胞增殖指數在第7﹑14天均顯著高于單純化療組。朱舜明[27]亦發現，照射后小鼠，經BMSC移植組外周血象及脾細胞集落形成單位在移植后明顯高于對照組。此外，造血干、祖細胞與貼壁層的骨髓基質細胞的物理性接觸對體外長期造血的維持亦具有重要作用。Ueno[28]實驗發現造血細胞的生長依賴于多種基質細胞組成的黏附層及與基質細胞傳導信號的膜蛋白，HSC/HPC在缺乏骨髓基質細胞的條件下，即使加入外源性生長因子在體外仍然無法維持造血細胞的自我更新及持續生長。

2.2 骨髓細胞因子對造血功能的影響 骨髓間充質干細胞通過分泌多種細胞因子，如干細胞因子、集落刺激因子、成纖維細胞生長因子、白細胞介素、胰島素樣生長因子、基質細胞衍生因子、β型轉化生長因子等對造血干、祖細胞的增殖、分化和發育及造血起重要的調控作用。Kna?n-Shanzer等[29]提出造血生長因子的合理組合可促使HSCs從G0期進入增殖期。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，它們共同協調HSC的生命活動。其中黏附分子是以受體-配體結合的形式介導細胞間及細胞與基質間相互接觸及結合的一類分子，介導造血祖細胞與造血微環境中各種成分黏附。有研究表明[30]，慢性再生障礙性貧血的發病與細胞黏附分子表達降低有關，隨著病情的緩解黏附分子表達增強。趨化因子是一類控制細胞定向遷移的的小分子分泌性蛋白質，由趨化因子受體介導其功能，刺激細胞趨化運動，受化學誘導物及細胞因子調節。Tamkun[31]等首次提出整合蛋白具有調節膜的性質，造血干/祖細胞表達的有關細胞黏附分子正是通過與基質細胞上相應的配體形成“配體-整合蛋白-細胞骨架跨膜系統”，從而影響造血干/祖細胞的形態，控制細胞的增殖分化及凋亡，決定細胞的運動、調控基因表達。

膜結合型干細胞因子(stem cell factor，SCF)維持著成年骨髓中HSCs的活力，是骨髓骨內膜HSCs“龕”的主要成分，尤SCF-KIT通路對介導骨髓骨內膜“龕”的活性起著重要作用。衛佳[32]通過實驗提出SCF可能在維持HSCs功能以及促進其體內、外擴增方面有獨特的效果，并且膜結合型SCF是基質細胞與造血祖細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來影響骨內膜“龕”的黏附性質[33]。

Ang/Tie-2信號通路是近年來發現的一條新的血管形成通路，表達N-鈣黏著蛋白的ANG+成骨細胞可通過此通路阻止HSCs分裂和阻止自我更新和分化，維持靜止狀態，進而使HSCs趨于穩定[34]。Puri[35]發現HSCs與“龕”通過Ang/Tie-2信號通路相互作用，當酪氨酸激酶受體Tie-2的下降，Ang/Tie-2信號通路信號減弱，HSCs與”龕”之間的趨化、黏附作用被削弱從而動員HSCs。

GTP酶蛋白Rac1和Rac2是哺乳動物細胞的重要調節分子，對在骨髓HSCs“龕”中的HSCs的歸巢、貯留和定居起著重要作用。有報道[36]發現小鼠Rac1和Rac2等位基因的缺失會導致骨髓中HSPCs活化，并進入外周血。體外細胞培養實驗發現細胞骨架調節分子Rho家族鳥苷酸三磷酸酶(RHOfamily GTPase)RAC1和RAC2的缺失可導致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的負性調控因子之一。OPN是骨組織和血液系統之間的橋梁，可誘導細胞凋亡。成骨細胞調節骨髓HSCs的數量的機制之一可能是由于其分泌酸性的OPN到骨基質中[38]。此外，Wnt信號系統、Notch信號通路[10]、Hedgehog信號通路等在造血系統中也具有重要的作用，通過維持HSCs分化或未分化狀態、調節HSCs細胞周期來參與造血的動態平衡的作用。

造血微環境對造血調控有著十分重要的作用，在深入闡明造血微環境的組成及其與造血干細胞的相互關系及機制的前提下，有助于進一步了解某些病態造血狀況下，造血微環境缺陷的分子學基礎，從而為治療復雜的血液系統疾病提供更有潛能的靶點及新的思路。

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