造血微环境对造血机能影响的研究进展

陈慧彬，王 茜 综述 窦永起 审校

解放军总医院 中医科，北京 100853

造血干细胞(hemopoietic stem cells，HSCs)是一类多能的、具有自我增殖分化成所有成熟血细胞的原始造血细胞，它的生长及生理功能的发挥依赖于由造血基质细胞、细胞之间的基质以及骨髓血管和神经等构成的造血微环境，它们共同组成复杂的相互影响的网络支架，其中HSCs定居、增殖和分化的主要区域被称为造血微环境“龛”(niche)。许多学者为探讨造血微环境调控骨髓造血的机制做了大量的实验研究[1-2]，综述如下。

1 骨髓造血微环境“龛”

1978年，Schofield[3]首次用“龛”来描述骨髓中适宜HSCs生存的特定微环境，这种微环境对干细胞生长[4]、增殖分化及凋亡具有调节作用[5]。随着体内成像技术的发展以及对“龛”更深入的动态观察和研究，根据位置和功能的不同将骨髓中HSCs“龛”分为两大类，即骨内膜HSCs“龛”与血管HSCs“龛”[6]。

1.1 骨内膜HSCs“龛” 骨内膜“龛”可以支持HSCs长期生存[7]，具有增加HSCs存活率的作用。Kollet[8]的研究结果表明，骨内膜HSCs“龛”中成骨细胞是骨髓中HSCs微环境的重要组成部分[9-11]，它主要分布在骨髓中靠近骨内膜的位置，是骨髓基质细胞中一类较成熟的细胞，能直接与HSCs相互作用或通过分泌一些因子来调节HSCs[10,12-13]。

目前研究认为HSCs和成骨细胞间存在两种不同的黏附关系[14]：第Ⅰ类型是指二者间即刻建立起的黏附关系，是由HSCs表达的N-连接蛋白迅速地糖基化所介导的黏附关系，它使HSCs定居于成骨细胞支持的造血生态位区内，有利于CD34+HSCs与成骨细胞表面核心黏附分子的结合由低水平转为高水平。Zhang[12]在转基因动物的相关实验研究中发现，HSCs的数量与纺锤形N-钙黏素CD45-成骨(SNO)细胞增加呈正相关，静止期的干细胞通过N-钙黏着蛋白黏附呈N-钙黏着蛋白阳性的SNOs紧密相连来维持其静止状态，且数量随着SNOs数量的改变而改变。第Ⅱ类是指HSCs与成骨细胞间受体与配体的结合，由Taichman[15]等首次提出，主要是指整合素β1亚家族中称为VLA(very late activationantigen)中的VLA-4和VLA-5与其受体的结合所介导黏附关系。

1.2 血管HSCs“龛” Kiel[16]等用SLAM标记对骨髓中HSCs进行定位，发现有许多HSCs被定位于骨髓血管内皮的附近，由此推断血管内皮细胞可能构成了骨髓中另外一类HSCs的“龛”，称为血管HSCs“龛”。骨髓造血依赖于一个完整的、包含了血管HSCs“龛”的微循环系统，它可以为HSCs提供丰富的营养及氧环境，亦可以分泌多种细胞因子，这个微循环的异常影响HSCs的增殖和分化[17]。

骨髓血管窦内皮细胞表达多种黏附分子，它们对HSCs的动员、活化、归巢和迁移均起着重要作用。血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)是调控血管生成和造血的重要因子之一，可以增强损伤DNA的修复，降低放射损伤引起的细胞凋亡[18]。张增利[19]研究发现照射组VEGF的mRNA表达在各时间点均高于同时点的非照射组，上清液中VEGF的蛋白含量随着培养时间的延长是一个先升高到高于非照射组随后下降至低于非照射组的动态过程，VEGF的表达有利于机体造血的重建，升高可能是机体的一种代偿性反应。基质源因子-1(stromal derived factor-1，SDF-1)通过SDF-1-CXCR4轴影响骨髓造血组织中的血管新生及干/祖细胞归巢。HSCs和内皮细胞之间的紧密连接在HSCs的归巢和动员过程中起着重要的作用，而内皮细胞的物理结构及SDF-1-CXCR4轴决定血管“龛”能协助HSCs的跨内皮迁移[20]。Yin[21]等研究发现，小鼠注射CXCR4拮抗剂AMD3100后，可以快速诱发小鼠内皮祖细胞的动员，且可以通过破坏内皮祖细胞分泌的细胞因子SDF-1来影响SDF-1-CXCR4轴，抑制内皮祖细胞的血管发生和血管修复功能。此外，还有许多黏附分子如内皮细胞E选择素、血管细胞黏附分子-1等[22-23]，均具有重要的造血调控作用。

2 骨髓微环境对造血过程的影响

骨髓造血微环境主要包括造血组织中的基质细胞、细胞外基质和各种造血因子[24]，它可以通过各种微环境信号调控干细胞的自我更新、定向分化以及动员、增殖、迁移等。

2.1 骨髓基质细胞对造血功能的影响 骨髓基质细胞是一个复杂的异质细胞群，主要包括成纤维细胞(网状细胞)、外膜细胞、巨噬细胞、内皮细胞、脂肪细胞和成骨细胞[25]，对于HSCs长期造血的维持极其重要。李军[26]用BALB/C小鼠骨髓基质细胞体外扩增培养后移植输注给化疗后的同系小鼠，发现移植组小鼠外周血白细胞﹑血小板、T淋巴细胞增殖反应在第7天较单纯化疗组明显提高，骨髓细胞混合集落形成单位数、骨髓细胞增殖指数在第7﹑14天均显著高于单纯化疗组。朱舜明[27]亦发现，照射后小鼠，经BMSC移植组外周血象及脾细胞集落形成单位在移植后明显高于对照组。此外，造血干、祖细胞与贴壁层的骨髓基质细胞的物理性接触对体外长期造血的维持亦具有重要作用。Ueno[28]实验发现造血细胞的生长依赖于多种基质细胞组成的黏附层及与基质细胞传导信号的膜蛋白，HSC/HPC在缺乏骨髓基质细胞的条件下，即使加入外源性生长因子在体外仍然无法维持造血细胞的自我更新及持续生长。

2.2 骨髓细胞因子对造血功能的影响 骨髓间充质干细胞通过分泌多种细胞因子，如干细胞因子、集落刺激因子、成纤维细胞生长因子、白细胞介素、胰岛素样生长因子、基质细胞衍生因子、β型转化生长因子等对造血干、祖细胞的增殖、分化和发育及造血起重要的调控作用。Knaän-Shanzer等[29]提出造血生长因子的合理组合可促使HSCs从G0期进入增殖期。此外，还存在许多黏附分子、趋化因子，以及具有重要生理功能的膜蛋白等，它们共同协调HSC的生命活动。其中黏附分子是以受体-配体结合的形式介导细胞间及细胞与基质间相互接触及结合的一类分子，介导造血祖细胞与造血微环境中各种成分黏附。有研究表明[30]，慢性再生障碍性贫血的发病与细胞黏附分子表达降低有关，随着病情的缓解黏附分子表达增强。趋化因子是一类控制细胞定向迁移的的小分子分泌性蛋白质，由趋化因子受体介导其功能，刺激细胞趋化运动，受化学诱导物及细胞因子调节。Tamkun[31]等首次提出整合蛋白具有调节膜的性质，造血干/祖细胞表达的有关细胞黏附分子正是通过与基质细胞上相应的配体形成“配体-整合蛋白-细胞骨架跨膜系统”，从而影响造血干/祖细胞的形态，控制细胞的增殖分化及凋亡，决定细胞的运动、调控基因表达。

膜结合型干细胞因子(stem cell factor，SCF)维持着成年骨髓中HSCs的活力，是骨髓骨内膜HSCs“龛”的主要成分，尤SCF-KIT通路对介导骨髓骨内膜“龛”的活性起着重要作用。卫佳[32]通过实验提出SCF可能在维持HSCs功能以及促进其体内、外扩增方面有独特的效果，并且膜结合型SCF是基质细胞与造血祖细胞黏附的有效刺激剂，它能激活VLA4和VLA5，改变整合素的功能状态来影响骨内膜“龛”的黏附性质[33]。

Ang/Tie-2信号通路是近年来发现的一条新的血管形成通路，表达N-钙黏着蛋白的ANG+成骨细胞可通过此通路阻止HSCs分裂和阻止自我更新和分化，维持静止状态，进而使HSCs趋于稳定[34]。Puri[35]发现HSCs与“龛”通过Ang/Tie-2信号通路相互作用，当酪氨酸激酶受体Tie-2的下降，Ang/Tie-2信号通路信号减弱，HSCs与”龛”之间的趋化、黏附作用被削弱从而动员HSCs。

GTP酶蛋白Rac1和Rac2是哺乳动物细胞的重要调节分子，对在骨髓HSCs“龛”中的HSCs的归巢、贮留和定居起着重要作用。有报道[36]发现小鼠Rac1和Rac2等位基因的缺失会导致骨髓中HSPCs活化，并进入外周血。体外细胞培养实验发现细胞骨架调节分子Rho家族鸟苷酸三磷酸酶(RHOfamily GTPase)RAC1和RAC2的缺失可导致HSPCs增殖下降、向SDF-1迁移和黏附到晚期抗原-4 VLA-4和(或)VLA-5能力减弱[37]。

骨桥蛋白是HSCs的负性调控因子之一。OPN是骨组织和血液系统之间的桥梁，可诱导细胞凋亡。成骨细胞调节骨髓HSCs的数量的机制之一可能是由于其分泌酸性的OPN到骨基质中[38]。此外，Wnt信号系统、Notch信号通路[10]、Hedgehog信号通路等在造血系统中也具有重要的作用，通过维持HSCs分化或未分化状态、调节HSCs细胞周期来参与造血的动态平衡的作用。

造血微环境对造血调控有着十分重要的作用，在深入阐明造血微环境的组成及其与造血干细胞的相互关系及机制的前提下，有助于进一步了解某些病态造血状况下，造血微环境缺陷的分子学基础，从而为治疗复杂的血液系统疾病提供更有潜能的靶点及新的思路。

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