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來(lái)源：BioArt
多年來(lái)，科學(xué)家一直在研究造血干細(xì)胞（Hematopoietic stem cells, HSCs），但迄今為止，尚未成功開(kāi)發(fā)出無(wú)載體且可移植的HSC。與此相反，許多可用于治療疾病的血細(xì)胞，如紅細(xì)胞、B細(xì)胞、T細(xì)胞、骨髓細(xì)胞、巨核細(xì)胞和造血組細(xì)胞，可以通過(guò)人胚胎干細(xì)胞（human embryonic stem cells, hESCs）或人誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（human induced pluripotent stem cells, hiPSCs）生產(chǎn)出來(lái)。最近的研究主要集中在從多能干細(xì)胞中獲得與臨床移植中使用的成人HSCs相似的CD34+ CD45+細(xì)胞群，但是這些細(xì)胞在免疫抑制小鼠中的移植能力有限，限制了其在治療中的應(yīng)用。至今唯一一項(xiàng)成功生成真正HSCs的研究受到編碼癌基因的質(zhì)?；蜃甜B(yǎng)層細(xì)胞存在的限制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)臨床應(yīng)用。有趣的是，從畸胎瘤中可以獲得具有可移植性的HSCs，這表明從多能干細(xì)胞中生成HSCs是可能的。實(shí)際上，在胚胎發(fā)育過(guò)程中，主動(dòng)脈-性腺-中腎（aorta-gonad-mesonephros，AGM）區(qū)域的內(nèi)皮細(xì)胞也可以生成可移植的HSCs，這些細(xì)胞通過(guò)內(nèi)皮-造血轉(zhuǎn)化（endothelial-hematopoietic transition，EHT）的形成來(lái)模擬胚狀體（embryoid body, EB）中的造血發(fā)育過(guò)程。
2023年12月7日，來(lái)自法國(guó)血液中心EFS的Thierry Jaffredo與巴黎索邦大學(xué)的Laurence Guyonneau-Harmand共同在Cell Stem Cell期刊發(fā)表題為Generation of transgene-free hematopoietic stem cells from human induced pluripotent stem cells（利用人類(lèi)誘導(dǎo)多能干細(xì)胞生成無(wú)轉(zhuǎn)基因的造血干細(xì)胞）的文章。研究人員成功地開(kāi)發(fā)了一種單步培養(yǎng)系統(tǒng)，通過(guò)hiPSCs可獲得無(wú)載體和無(wú)基質(zhì)的HSCs。這些HSCs經(jīng)移植到小鼠骨髓后，能夠定居并形成多系造血細(xì)胞群體，并能夠連續(xù)移植。研究顯示，重建的HSCs在轉(zhuǎn)錄水平上與人類(lèi)胚胎主動(dòng)脈來(lái)源的HSCs相似。這一研究結(jié)果對(duì)于深入理解HSCs的生成機(jī)制具有重要意義。
HSCs是造血細(xì)胞（Hematopoietic cell, HC）移植中具有終身治療效果的稀有細(xì)胞。近年來(lái)患者對(duì)HSCs的需求顯著增加，使HSCs移植面臨重大挑戰(zhàn)。研究人員希望從hiPSCs中開(kāi)發(fā)一種無(wú)載體和無(wú)基質(zhì)的體系，生成從具有強(qiáng)大的、長(zhǎng)期的多重潛能再構(gòu)和自我更新能力人類(lèi)HSCs。這一想法很有希望，但目前尚未實(shí)現(xiàn)。
培養(yǎng)條件的建立
首先，通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，研究人員確定了十種細(xì)胞因子和生長(zhǎng)因子的組合。他們?cè)u(píng)估了細(xì)胞擴(kuò)增、長(zhǎng)期培養(yǎng)啟動(dòng)細(xì)胞（long-term culture-initiating cells，LTC-ICs）頻率以及細(xì)胞表面標(biāo)記物的表達(dá)等指標(biāo)，確定了三種有效的組合。三種組合用于hiPSCs細(xì)胞系分化的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，組合A表現(xiàn)出最佳的未成熟和成熟造血標(biāo)記物比例。在NOD/SCID小鼠中，組合A產(chǎn)生了最高比例的人類(lèi)CD45+細(xì)胞。因此，研究人員選擇了組合A進(jìn)行后續(xù)研究和應(yīng)用。
hiPSCs分化細(xì)胞的特征和功能表征
研究人員將hiPSCs分化為CD34+CD45+血管內(nèi)皮細(xì)胞，并將其移植到小鼠體內(nèi)以評(píng)估其再建造血潛力。結(jié)果表明，移植的細(xì)胞能夠成功再建造血，類(lèi)似于使用臍血中的CD34+細(xì)胞進(jìn)行移植的效果。移植后20周，小鼠骨髓內(nèi)產(chǎn)生了多種人類(lèi)血液細(xì)胞，如髓系、B細(xì)胞和T細(xì)胞，整體呈現(xiàn)出良好的多系分化。此外，研究還證實(shí)了移植細(xì)胞在周邊血液循環(huán)中的存在，表現(xiàn)出與臍血移植接受者外周血中相似的多系模式?？傊芯拷Y(jié)果表明通過(guò)hiPSCs的分化可以有效實(shí)現(xiàn)血細(xì)胞再建。接下來(lái)，研究人員對(duì)移植到小鼠骨髓中的細(xì)胞進(jìn)行了分析和功能驗(yàn)證。研究發(fā)現(xiàn)移植后小鼠骨髓中存在多種類(lèi)型的人類(lèi)細(xì)胞，如紅細(xì)胞、B細(xì)胞、T細(xì)胞等。功能驗(yàn)證表明移植細(xì)胞表現(xiàn)出正常的血液細(xì)胞特性，如血紅蛋白切換、T細(xì)胞激活和增殖。血液祖細(xì)胞分析證實(shí)存在功能性的人類(lèi)造血干細(xì)胞，并通過(guò)二次移植實(shí)驗(yàn)證實(shí)了其持續(xù)再造能力。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)證明，從EB細(xì)胞后代獲得的人類(lèi)造血干細(xì)胞展現(xiàn)出強(qiáng)大的自我更新潛力，并且能夠穩(wěn)定再生多種細(xì)胞。這些研究結(jié)果揭示了通過(guò)細(xì)胞移植實(shí)現(xiàn)血細(xì)胞再建的潛力。
EBs模擬HSCs發(fā)育過(guò)程分析
通過(guò)轉(zhuǎn)錄組分析和單細(xì)胞RNA測(cè)序（scRNA-seq），研究人員對(duì)通過(guò)EBs模擬HSCs的發(fā)育過(guò)程進(jìn)行了追蹤。他們觀察到在培養(yǎng)的不同時(shí)間點(diǎn)，EBs中存在著27種不同類(lèi)型的細(xì)胞，分布在三個(gè)主要分支中，對(duì)應(yīng)于外胚層、中胚層和內(nèi)胚層，以及包含滋養(yǎng)層細(xì)胞祖細(xì)胞譜系的第四個(gè)分支。研究人員重點(diǎn)關(guān)注了內(nèi)皮和血管HC細(xì)胞群，并將其與人類(lèi)胚胎的scRNA-seq數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。他們發(fā)現(xiàn)分化過(guò)程產(chǎn)生了類(lèi)似于胚胎主動(dòng)脈和靜脈內(nèi)皮細(xì)胞的細(xì)胞群，證明了這一分化過(guò)程能夠模擬HSC的發(fā)育。通過(guò)對(duì)MYB和RUNX1基因表達(dá)模式的研究，以及對(duì)內(nèi)皮標(biāo)志物CD34和CDH5的流式細(xì)胞分析，研究人員進(jìn)一步驗(yàn)證了這一過(guò)程。研究還發(fā)現(xiàn)EB周?chē)嬖谥芗难芫W(wǎng)絡(luò)，可能存在一種從內(nèi)皮細(xì)胞向HSC轉(zhuǎn)化的過(guò)程。最后，研究人員通過(guò)六基因標(biāo)志物和HSCs的評(píng)分，鑒定了產(chǎn)生HSC的亞群，并發(fā)現(xiàn)候選HSC亞群的表型介于AGM早期和成熟HSC之間。因此，通過(guò)對(duì)EBs的分子和表型鑒定，證明了這種體外培養(yǎng)過(guò)程可以重現(xiàn)人類(lèi)HSC的發(fā)育，并提供了關(guān)于內(nèi)皮和HSC細(xì)胞群的詳細(xì)觀察和分析。
綜上所述，該研究開(kāi)發(fā)了一種無(wú)載體和無(wú)基質(zhì)體系，從hiPSCs中產(chǎn)生具有強(qiáng)大、長(zhǎng)期的多潛能再構(gòu)和自我更新能力的人類(lèi)HSCs的方法。該方法使用EB形成產(chǎn)生細(xì)胞群，其類(lèi)似于早期在人類(lèi)胚胎AGM區(qū)域中發(fā)現(xiàn)的未成熟HSCs。這說(shuō)明生成無(wú)載體和無(wú)基質(zhì)的人類(lèi)HSCs是可以實(shí)現(xiàn)的，而且可以通過(guò)產(chǎn)生更接近于發(fā)育過(guò)程中出現(xiàn)的原始HSCs細(xì)胞來(lái)實(shí)現(xiàn)。
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.stem.2023.11.002