造血干細(xì)胞表面標(biāo)志物
日期：2020-01-10 13:43:12
造血干細(xì)胞(Hematopoietic stem cells, HSC)是一類成體干細(xì)胞，具有干細(xì)胞的特性：自我更新和分化潛能。
造血干細(xì)胞是一種骨髓來源的多能干細(xì)胞，它是血液系統(tǒng)中的“種子”細(xì)胞。造血干細(xì)胞(HSCs)在造血過程中形成血系中的所有細(xì)胞，包括各種成熟細(xì)胞如白細(xì)胞、紅細(xì)胞、血小板等。在受到適當(dāng)刺激時(shí)還分化為其他非造血組織(如脂肪細(xì)胞、心肌細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞和胰腺細(xì)胞)[1]。
造血干細(xì)胞具有調(diào)節(jié)體內(nèi)平衡、免疫功能、抗微生物、抗炎癥等生物學(xué)功能。它在血液病、遺傳性血液病和自身免疫性疾病的治療方面有重要作用。
1. 造血干細(xì)胞類型
已經(jīng)定義了兩種類型的造血干細(xì)胞：能夠終生保持自我更新和多譜系分化潛能的長期再生細(xì)胞(LTRC)；來源于LTRC的短期再生細(xì)胞(STRC)，雖然它們保持了多能性，但它們表現(xiàn)出更有限的自我更新潛能。它們重建髓系和/或淋巴系間隔的時(shí)間很短，大約6周。
2. 造血干細(xì)胞的來源
造血干細(xì)胞存在于成年人的骨髓中，特別是在骨盆、股骨和胸骨中。它們也存在于臍帶血和少量的外周血中。
2.1 骨髓
造血干細(xì)胞(HSCs)是一種骨髓來源的多能干細(xì)胞。
從骨髓中獲取造血干細(xì)胞通過外科手術(shù)，從兩個(gè)髂骨后嵴分次采集。骨髓中每10萬個(gè)細(xì)胞中約有1個(gè)是長期造血干細(xì)胞(LT-HSC)。
2.2 外周血
大部分造血干細(xì)胞來源于骨髓，少量的干細(xì)胞和祖細(xì)胞在血液中循環(huán)。人類造血干細(xì)胞的臨床移植，可以從外周血中收集供體細(xì)胞。造血干細(xì)胞的采集是在粒細(xì)胞集落刺激因子(G-CSF)等造血生長因子的作用下，將骨髓中的HSC動(dòng)員到外周血后，通過分離的方式采集。
2.3 臍帶血(UCB)
臍帶血是造血干細(xì)胞和造血祖細(xì)胞的豐富來源，它所含不同類型的造血祖細(xì)胞的數(shù)量大約是成人血液中觀察到的數(shù)量的10倍。臍帶血作為再生醫(yī)學(xué)的特殊細(xì)胞來源，也含有多種類型的干細(xì)胞。
2.4 胎兒造血系統(tǒng)與胚胎造血干細(xì)胞
胎兒造血系統(tǒng)是造血干細(xì)胞的重要來源，但在臨床上尚未得到應(yīng)用。
圖1. 造血干細(xì)胞的來源
3. 造血干細(xì)胞的生物學(xué)特性
造血干細(xì)胞是真正的干細(xì)胞，因?yàn)樗鼈兙哂卸嗄苄浴⒆晕腋履芰ΑＦ渌匦赃€包括它的異質(zhì)性。
自我更新：造血干細(xì)胞的自我更新意味著造血干細(xì)胞產(chǎn)生與它們相同的子代細(xì)胞。它的這種能力，使得造血干細(xì)胞可以從單個(gè)細(xì)胞產(chǎn)生一個(gè)完整的造血系統(tǒng)，并在個(gè)體的一生中保持造血。
多能性：是指造血干細(xì)胞在需要時(shí)產(chǎn)生主要造血細(xì)胞類型的能力。造血干細(xì)胞(HSC)可分化為來自髓系(單核細(xì)胞和巨噬細(xì)胞、中性粒細(xì)胞、嗜堿性粒細(xì)胞、嗜酸性粒細(xì)胞、紅細(xì)胞、巨核細(xì)胞/血小板、樹突狀細(xì)胞)和淋巴系(T、B和NK細(xì)胞)的各種血細(xì)胞。
造血干細(xì)胞具有極高的增殖潛能，使其能夠滿足正常成人一生中對(duì)造血的高需求。
圖2. 造血干細(xì)胞的多能性
可塑性：可塑性是指造血干細(xì)胞分化為多種非造血組織如心肌細(xì)胞的能力[2]。
造血干細(xì)胞運(yùn)輸：從胚胎起源開始，HSPC從一個(gè)生態(tài)位移動(dòng)到另一個(gè)。造血干細(xì)胞(HSC)生態(tài)位是造血干細(xì)胞賴以生存和自我更新的空間位置和生理微環(huán)境。造血干細(xì)胞的運(yùn)輸可分為歸巢、保留和植入。
異質(zhì)性：造血干細(xì)胞內(nèi)部的異質(zhì)性是指造血干細(xì)胞具有不同的生理特征，如細(xì)胞周期狀態(tài)[3]和自我更新能力[4]，對(duì)不同的外部信號(hào)有不同的反應(yīng)，在移植后有不同的譜系輸出[5][6][7][8]。
造血干細(xì)胞內(nèi)部的異質(zhì)性是構(gòu)成成人造血系統(tǒng)基礎(chǔ)的最堅(jiān)實(shí)的細(xì)胞部分，為什么存在HSC亞型、它們是如何產(chǎn)生的？
Muller-Sieberg組是最早確定HSC異質(zhì)性的研究小組之一。HSC的異質(zhì)性可以穩(wěn)定地傳播。HSC的異質(zhì)性是如何產(chǎn)生的呢？目前認(rèn)為造血干細(xì)胞(HSC)異質(zhì)性產(chǎn)生的可能途徑如下:
- 造血干細(xì)胞來源不同：HSC類型可能來自中胚層細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞或來自于背主動(dòng)脈前造血干細(xì)胞。
- 調(diào)控因素的差異：HSC的類型可能受不同的誘導(dǎo)性發(fā)育組織(如AGM、胎盤、卵黃囊、頭部)的調(diào)節(jié)，并可能隨著它們?cè)谘h(huán)中的遷移而改變；或受發(fā)育生態(tài)位(可能是血管、肝臟、神經(jīng)或骨骼)的調(diào)節(jié)；或受不同的發(fā)育機(jī)制(如EHT)的調(diào)節(jié)。
- 此外，表觀遺傳修飾也可能解釋不同HSC類型的存在。
4. HSC和免疫系統(tǒng)
造血干細(xì)胞(HSC)生態(tài)位是造血干細(xì)胞賴以生存和自我更新的空間位置和生理微環(huán)境。它保持干細(xì)胞在自我更新和分化之間的動(dòng)態(tài)平衡。
研究表明，在活體內(nèi)，造血干細(xì)胞的生態(tài)位為造血干細(xì)胞提供了免疫特權(quán)部位。調(diào)節(jié)性T細(xì)胞(Treg)與造血干細(xì)胞定位于骨髓的骨內(nèi)膜區(qū)域，以保護(hù)造血干細(xì)胞免受免疫攻擊。
此外，造血干細(xì)胞本身也通過調(diào)節(jié)表面免疫分子的表達(dá)而具有一定的免疫豁免潛能。
當(dāng)HSCs被強(qiáng)炎癥信號(hào)激活并動(dòng)員進(jìn)入循環(huán)時(shí)，HSCs表面的CD47水平顯著上調(diào)。CD47與巨噬細(xì)胞上的信號(hào)調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合，抑制吞噬作用。CD47在動(dòng)員的造血干細(xì)胞表面表達(dá)的增加可以保護(hù)這些細(xì)胞不被吞噬。
5. 人體造血系統(tǒng)層次
造血系統(tǒng)中所有血細(xì)胞的起源被認(rèn)為來自于具有自我更新能力的造血干細(xì)胞。
造血干細(xì)胞和祖細(xì)胞(HSPCs)庫可分為三種類型的細(xì)胞：長期造血干細(xì)胞(LT-HSC)、短期造血干細(xì)胞(ST-HSPC)和多能祖細(xì)胞(MPP)。
造血系統(tǒng)中，靜止的、長期再填充的造血干細(xì)胞(LT-HSC)位于所有成熟血細(xì)胞的頂端，通過其自我更新和不對(duì)稱的細(xì)胞分裂潛能在一生中維持一個(gè)原始的多潛能池。在穩(wěn)定狀態(tài)下，造血干細(xì)胞衍生的子代具有對(duì)外周刺激的快速增殖能力，取代了活化的、消耗的或老化的血細(xì)胞的損失[9][10]。
ST-HSPC及其祖細(xì)胞具有維持正常造血6~8周的能力。喪失正常的LT-HSC和ST-HSPC功能是自然干細(xì)胞老化和幾種造血疾病的標(biāo)志，最顯著的是血液系統(tǒng)惡性腫瘤的發(fā)展和進(jìn)展[11]。
多能祖細(xì)胞(MPPs)是由造血干細(xì)胞產(chǎn)生的失去自我更新潛能但仍能完全分化為所有多系的多潛能祖細(xì)胞(MMPPs)。MPPs進(jìn)一步產(chǎn)生低潛能祖細(xì)胞，即常見的淋巴和髓系祖細(xì)胞(CLPs和CMPs)。
所有這些低潛能祖細(xì)胞均可分化為有限的定型譜系：
CMPs可分化為巨核/紅細(xì)胞祖細(xì)胞(MEPs)、粒/巨噬細(xì)胞祖細(xì)胞(GMPs)和樹突狀細(xì)胞(DC)祖細(xì)胞；
CLPs可分化為T細(xì)胞祖細(xì)胞、B細(xì)胞祖細(xì)胞、NK細(xì)胞祖細(xì)胞和DC祖細(xì)胞。[12][13]。
DC祖細(xì)胞(CD8+DC、CD8-DC和漿細(xì)胞樣DC)可以來自CMPs和CLPs。
圖3. 人體造血系統(tǒng)層次
6. 造血干細(xì)胞的細(xì)胞表面標(biāo)志
盡管關(guān)于造血干細(xì)胞的研究很多，但是還沒有發(fā)現(xiàn)一個(gè)單獨(dú)的分子標(biāo)記是由造血干細(xì)胞表達(dá)。由于造血干細(xì)胞缺乏成熟血細(xì)胞標(biāo)志物的表達(dá)，因此被稱為Lin-。對(duì)造血干細(xì)胞進(jìn)行鑒定或分離一般都是采用多個(gè)不同的細(xì)胞表面標(biāo)志物的組合，利用流式細(xì)胞術(shù)將稀少的造血干細(xì)胞從周圍的血細(xì)胞中分離出來。
人造血干細(xì)胞與小鼠造血干細(xì)胞的標(biāo)記物在普遍接受的造血干細(xì)胞類型上存在許多差異。
小鼠HSC：EMCN+、CD34lo/-、SCA-1+、Thy1.1+/lo、CD38+、C-kit+、lin-
人HSC：EMCN+、CD34+、CD59+、Thy1/CD90+、CD38lo/-、C-kit/CD117+、lin-
區(qū)分鼠標(biāo)長期(LT-HSC)和短期(ST-HSC)造血干細(xì)胞和多能祖細(xì)胞(早期MPP和晚期MPP)標(biāo)記如下：
LT-HSC：CD34-、CD38-、SCA-1+、Thy1.1+/lo、C-kit+、lin-、CD135-、Slamf1/CD150+
ST-HSC：CD34+、CD38+、SCA-1+、Thy1.1+/lo、C-kit+、lin-、CD135-、Slamf1/CD150+、Mac-1 (CD11b)lo
早期MPP：CD34+、SCA-1+、Thy1.1-、C-kit+、lin-、CD135+、Slamf1/CD150-、Mac-1 (CD11b)lo、CD4lo
晚期MPP：CD34+、SCA-1+、Thy1.1-、C-kit+、lin-、CD135high、Slamf1/CD150-、Mac-1 (CD11b)lo、CD4lo
6.1 主要標(biāo)志物的介紹
6.1.1 CD34
CD34是最重要的標(biāo)志之一，在造血干細(xì)胞及其祖細(xì)胞的分離和鑒定中，CD34分子是第一個(gè)被廣泛研究的分子。CD34在人臍帶血、骨髓和外周血中的表達(dá)約0.1 - 4.9%[14]。CD34在0.55%的人骨髓細(xì)胞上表達(dá)，在早期祖細(xì)胞上有表達(dá)，而在成熟的骨髓細(xì)胞上不表達(dá)。其他表面標(biāo)記已經(jīng)與CD34結(jié)合使用來區(qū)分原始細(xì)胞群體。
6.1.2 CD38
CD38又稱環(huán)狀A(yù)DP核糖水解酶，是一種存在于許多免疫細(xì)胞(白細(xì)胞)表面的糖蛋白，包括CD4+、CD8+、B淋巴細(xì)胞和自然殺傷細(xì)胞。CD38標(biāo)記用于區(qū)分造血干細(xì)胞多能祖細(xì)胞(CD38-)和定向祖細(xì)胞(CD38+)。
6.1.3 CD90 (Thy1)
CD90，也被稱為Thy-1，是一個(gè)28-30 kDa 的GPI連接膜糖蛋白。CD90表達(dá)于造血干細(xì)胞、神經(jīng)元、胸腺細(xì)胞、外周T細(xì)胞、成纖維細(xì)胞和基質(zhì)細(xì)胞。
CD90在CD34 + CD38-上的共表達(dá)定義了造血干細(xì)胞，而CD34 + CD38- CD90-定義了多能祖細(xì)胞。
6.1.4 CD117 (C-Kit)
CD117是一種145 kDa的蛋白酪氨酸激酶，也被稱為c-Kit。CD117在多能造血祖細(xì)胞(約1-4%的骨髓細(xì)胞)、肥大細(xì)胞和急性髓系白血病細(xì)胞(AML)上表達(dá)。
通過與它的配體結(jié)合可誘導(dǎo)CD117的磷酸化，刺激原始造血干細(xì)胞、紅細(xì)胞和單核細(xì)胞的增殖和存活。在配子形成、黑色素形成和造血過程中起著重要作用。
6.1.5 CD135 (Flk-2)
CD135，又稱FLK-2、FLT3和Ly-72，是一種III型酪氨酸激酶受體。CD135既表達(dá)在正常的CD34+造血干細(xì)胞中，也表達(dá)于惡性造血細(xì)胞，包括AML、ALL和CML BC。
CD135與FLT3配體結(jié)合，可以調(diào)節(jié)造血干細(xì)胞的生長，促進(jìn)具有髓系和B淋巴系潛能的原始造血祖細(xì)胞的存活。
6.1.6 CD150 (SLAM)
CD150又稱SLAM，I型跨膜糖蛋白信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)淋巴細(xì)胞活化分子，是CD2蛋白家族SLAM亞群的典型成員。
SLAM表達(dá)于胸腺細(xì)胞、T細(xì)胞亞群、B細(xì)胞、樹突狀細(xì)胞、巨噬細(xì)胞和造血干細(xì)胞。
6.1.7 CD184 (CXCR4)
CD184，又稱Fusin或CXCR4。它廣泛表達(dá)于血液和組織細(xì)胞，包括B細(xì)胞和T細(xì)胞、單核細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、樹突狀細(xì)胞、粒細(xì)胞、巨核細(xì)胞/血小板、淋巴樣細(xì)胞、髓樣前體細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞、上皮細(xì)胞、星形膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)元等組織細(xì)胞。
在骨髓龕中，造血干細(xì)胞表達(dá)CXCR4。CXCR4是趨化因子CXCL12 (SDF-1)的受體，介導(dǎo)血細(xì)胞遷移，參與B淋巴細(xì)胞和骨髓生成、心臟發(fā)生、血管形成和小腦發(fā)育。
CXCR4和SDF-1之間的相互作用負(fù)責(zé)HSC在小生境中的歸巢和保留。HSC生態(tài)位中CXCR4/CXCL12 (SDF-1)的相互作用被認(rèn)為是HSC動(dòng)員的機(jī)制[15]。
6.1.8 Ly-6A/E (Sca-1)
Ly-6A/E，又稱Sca-1，是Ly-6多基因家族的成員，是一種表達(dá)于造血干細(xì)胞上的糖基磷脂酰肌醇(GPI)連接蛋白。其在多能造血干細(xì)胞(HSC)上的表達(dá)已被用作兩種Ly 6單倍體小鼠HSC的標(biāo)記物。在成年動(dòng)物的骨髓、胎肝、動(dòng)員后的外周血和脾臟中均可見Sca-1陽性的造血干細(xì)胞。Ly-6A/E被認(rèn)為參與了T細(xì)胞和B細(xì)胞反應(yīng)的調(diào)節(jié)。
7. HSC的臨床應(yīng)用
7.1 造血細(xì)胞移植(HCT)
造血細(xì)胞移植按照干細(xì)胞來源可分為骨髓移植、外周血干細(xì)胞移植和臍血移植等。
圖4. 造血細(xì)胞移植
7.1.1 骨髓移植
骨髓移植是造血干細(xì)胞移植的一種常見類型，造血干細(xì)胞在骨髓移植中對(duì)患者血細(xì)胞的再增殖起著至關(guān)重要的作用。
按其供受者關(guān)系大體可分為自體造血干細(xì)胞移植和異體造血干細(xì)胞移植（包括同胞間、非親緣間移植）。除了實(shí)體瘤外，骨髓移植還被用于治療白血病和免疫系統(tǒng)紊亂等血液疾病[16]。
7.1.2 外圍造血干細(xì)胞移植
外周血中循環(huán)的HSC在給予GM-CSF、IL-3或SCF等造血細(xì)胞因子后，其濃度可提高100倍。使用細(xì)胞分離器，通常可以從外周血中獲得所需數(shù)量的HSC。
7.1.3 臍帶血移植(UCB)
臍帶血容易獲得，且對(duì)捐贈(zèng)者沒有風(fēng)險(xiǎn)，因此是一個(gè)有吸引力的可移植造血干細(xì)胞的來源。
新生兒免疫系統(tǒng)的不成熟，臍帶血中存在的淋巴細(xì)胞已被證明對(duì)HLA錯(cuò)配有更強(qiáng)的耐受性，因此在異基因移植環(huán)境中引發(fā)的急性和慢性移植物抗宿主病(GVHD)較少。
7.2 其他
造血干細(xì)胞還在包括移植物抗腫瘤治療、耐受誘導(dǎo)、基因治療[17]、再生醫(yī)學(xué)等方面有廣泛的應(yīng)用。
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