骨髓微环境和骨髓增生异常综合征的研究进展

韩丹壘，郭静明

骨髓增生异常综合征 (myelodysplastic syndromes，MDS)是一组起源于造血干细胞 (hematopoietic stem cells，HSC)的恶性克隆性疾病，以无效造血和高风险向白血病转化为特点，MDS的发病机制目前尚不清楚，肿瘤的发生和进展不可能是肿瘤细胞单独自主的进程，肿瘤微环境也起到重要的作用。因此，本文就骨髓微环境在MDS中的作用进行总结。

1 正常造血系统骨髓微环境中各细胞的作用

一直以来，骨髓被认为是不同类型、不同成熟程度的造血细胞发育的高度专一场所，直到近年才证实骨髓微环境中各种细胞在调节血细胞生成和HSC中的具体作用，作为干细胞赖以生存的土壤，骨髓微环境对干细胞有重要作用: (1)维持HSC静止状态，以减少DAN损伤和复制性衰老;(2)预防射线和毒性物质的伤害;(3)调节细胞本身的信号级联反应;(4)在HSC基因表达和修饰中起调节作用。骨髓微环境中主要的非造血细胞包括间质来源的细胞、内皮细胞和交感神经系统来源细胞［1］。

间质来源细胞在骨髓微环境中数量最多，包括骨祖细胞、成骨细胞系、网状细胞和脂细胞，均在血细胞生成中起重要的调节作用［2］，骨祖细胞最初被称为集落形成单位成纤维细胞 (CFU-F)，这些不成熟的祖细胞类似于表达CXCL12的网状细胞，因为其与血管周围小生境有相似的解剖定位并且表达CXCL12、碱性磷酸酶［2］。网状细胞已被证实有调节B淋巴细胞生成的作用［3］，同时也参与HSC的调节［4］。成骨细胞系可以介导干细胞的早期分化［5］，在协助其他血液细胞比如B淋巴细胞的形成中也有重要作用。脂细胞同样是间质来源的细胞，最初被认为仅在骨髓中起填充作用，现发现其作为血细胞生成的负调节者，数量与造血细胞活化呈负相关［6］。骨髓中的内皮细胞谱系，是发育中的造血细胞和血液之间的屏障，内皮细胞作为一个支持小生境，对造血细胞有很重要的作用。

多项研究表明，交感神经系统(SNS)在调节造血作用中也扮演了重要的角色［7］，解剖学研究发现，骨髓受有髓神经纤维和无髓神经纤维支配，神经递质在人类HSC动员、增殖和分化起作用［8］，SNS在调节骨量中起着重要作用，通过对成骨细胞的作用调节骨髓微环境［9］。

2 骨髓微环境与MDS

2．1 微环境中细胞因子的作用

2．1．1 干扰素 -γ (IFN-γ) 和肿瘤坏死因子α(TNF-α)的作用 近年来研究发现，骨髓微环境中IFN-γ和TNF-α在MDS发病机制中起重要作用。Kondo等［10］从 MDS细胞株和 MDS患者来源细胞群实验研究发现，无论是在细胞株还是MDS患者来源的骨髓细胞中，均可检测到高水平的程序性死亡配体 (B7-H1分子)mRNA和蛋白质，同时发现在培养物中加入IFN-γ和TNF-α后，受IFN-γ或者TNF-α刺激，B7-H1分子的表达增加，特别是两者的联合作用效果尤为明显。实验同时证实了IFN-γ和TNF-α可以活化核因子NF-κB，当用IFN-γ处理MDS细胞株，发现NF-κB p65的核转运诱导NF-κB的活化，但这一过程可以完全被NF-κB抑制物吡咯烷二硫氨基甲酸 (PDTC)阻断。除此之外，B7-H1+较B7-H1-细胞群位于增殖时期M/G2和S期的细胞群比例高，从而证实了B7-H1+细胞更具有增殖优势，可以介导T细胞抑制，这可能与疾病的进展相关。

从以上实验中可知，在MDS中，T细胞受肿瘤抗原或者感染的刺激而活化，活化的T细胞表达PD-1分子，同时这些活化的T细胞和微环境中基质细胞产生大量IFN-γ和TNF-α，可以活化核因子NF-κB，从而介导MDS细胞群B7-H1分子的表达。T细胞的B7-H1分子和MDS细胞群的PD-1分子之间的相互作用，提供一个双向信号，一个介导T细胞的凋亡，另一个促进MDS细胞的增殖，共同作用导致了MDS的发生与进展。

2．1．2 SDF-1/CXCR4轴的作用 基质细胞衍生因子-1(SDF-1)和特异性受体CXCR4结合可通过激活多种信号通路而介导肿瘤细胞的趋化、运动、黏附、分泌、血管生成、生长以及增殖等［11］。现已在很多肿瘤中发现CXCR4的高表达，并和肿瘤转移以及预后不良关系密切［12］。随着SDF-1/CXCR4途径在急性白血病骨髓微环境中作用的被发现，SDF-1/CXCR4在MDS发病机制中的作用也得到实验支持。

在SDF-1/CXCR4轴在MDS血管生成和凋亡中作用的实验性研究［13］中，根据国际预后评分系统 (IPSS)将MDS患者分为中低危组 (IPSS＜1．5)20例和中高危组 (IPSS≥1．5)20例以及健康对照组，分别检测比较3组对象的SDF-1、CXCR4的表达水平和细胞的凋亡率以及血管生成情况。实验结果证实了在低危组中SDF-1的表达水平高于高危组和对照组，而在高危组中细胞 CXCR4的表达水平明显高于低危组和对照组，并与另一研究实验结果一致［14］。低危组细胞细胞的凋亡率明显高于高危组，而高危组和对照组间无明显差异。在评估血管生成方面，实验检测了血浆内血管内皮生长因子 (VEGF)的水平和骨髓活组织微血管密度 (MVD)，发现高危组MDS患者血浆VEGF水平高于低危组和对照组，同时MVD水平也高于低危组和对照组，根据对结果的统计学分析，在低危组SDF-1的表达和细胞凋亡呈正相关 (r=0．8131，P ＜0．0001)，而在高危组 SDF-1表达与骨髓活检MVD呈正相关 (r=0．460，P=0．041)，即骨髓前体细胞的凋亡是低危组MDS的一个特征［12］，这些也许解释了低危组MDS患者前凋亡基因(如BCL-2)相关蛋白表达增加，而高危组抗凋亡基因表达增加的原因［15］，而在高危组中血管生成是其重要标志。

更多实验证明了SDF-1/CXCR4轴和血管生成的联系，其主要通过VEGF的高表达诱导血管生成［16］。从以上实验结果来看，SDF-1/CXCR4轴也可能通过VGEF促进血管生成来参与 MDS的发病［13］，同时在乳腺癌细胞系的研究中，发现SDF-1/CXCR4轴可上调VEGF的分泌，而VEGF在血管再生中起着非常重要的作用，用抗CXCR4的抗体可在内皮细胞中扰乱细胞外基质依赖的细胞微管形成，并且VEGF在内皮细胞中又可上调CXCR4的表达［17］，进一步证明了SDF-1/CXCR4轴和血管生成与MDS的进展有关。

2．1．3 其他因素 有研究报道，MDS基质来源的粘着斑蛋白异常可能与MDS发生有关，但主要是在于这些蛋白的亚细胞定位而不是它们的高表达［17］，并发现了粘着斑蛋白的表达水平、它们的核定位和MSC潜在的分化能力相关。这些过程可能被RAS-MAPK或者AKT-mTOR活化信号途径控制［18］。

另外，也有报道显示MDS患者骨髓间充质干细胞因子 (SCF)的表达存在异常［19］，SCF是一种传统的作用于早期造血细胞的细胞因子，对HSC和祖细胞的增殖、分化以及维持造血细胞存活、促进增殖和分化、调控各系造血细胞的生长发育起重要作用［20］，MDS患者骨髓间充质干细胞表达的SCF明显低于正常对照组，说明MDSHSC的增殖和分化过程在早期就受到影响，促使HSC增殖分化异常，这可能参与了MDS的发病过程。还有研究显示ICAM-1高表达以及L-选择素的缺陷都可能与MDS相关等［21］。

2．2 基因异常与骨髓微环境的相互作用

有研究发现基因的异常导致骨髓微环境的变化可以促使造血系统疾病的发生。在Dicer1基因缺失的小鼠模型中，着重研究了微环境在MDS发病机制中的作用。Dicer1基因是细胞内miRNA的生物合成和RNA加工所必须的基因，所以它的缺失可以导致肿瘤的发生。Raaijmakers等［22］建立了一个成骨前体细胞功能异常的模型，即在成骨前体细胞中选择性敲除Dicer1基因，因而导致成骨性的分化受损，使得骨髓微环境的完整性受损，结果发现造血细胞内有类似MDS的遗传学变化，当把这些类似MDS的造血细胞移植到具有正常骨髓微环境的小鼠体内，它们又可以恢复正常。证明了Dicer1基因通过微环境导致了MDS的发生。

另有研究报道，视网膜母细胞瘤基因可以调节干细胞和微环境之间的相互作用，视网膜母细胞瘤基因在HSC或者微环境任一者中失活，均不能导致骨髓增殖或者干细胞的凋亡，当骨髓微环境和造血细胞视网膜母细胞瘤基因同时缺失时，则可导致骨髓增殖和骨髓中干细胞的凋亡［23］。在微环境中进行选择性基因敲除导致视网膜母细胞瘤基因或视黄酸受体(RARγ)基因缺失后，可导致骨髓增生异常状况的发生［24］，同时发现在伴随有小梁骨体积减少的鼠类中，HSC的数量也明显减少，进一步提示微环境改变可影响干细胞数量。

2．3 骨髓微环境与其他血液肿瘤 在MDS患者中，约30%的患者可转变成急性白血病，现已发现骨髓微环境与白血病细胞的凋亡、增殖、迁徙有关，并且基质环境有庇护白血病细胞免于化疗药物的作用［25］，除此之外，骨髓微环境在白血病发展中也得到临床证据，最近有报道在接受异体骨髓移植患者中，根据相关研究报道每800个移植患者可有1个发生供体细胞衍生的血液系统疾病，包含MDS、急性髓系白血病 (AML)、慢性粒细胞白血病 (CML)、急性淋巴细胞白血病(ALL)，但在移植后长期 (6～30年)随访患者和他们的捐助者，所有的捐助者保持健康。因此，可以推测骨髓微环境在这些疾病的形成中可能起着积极的作用［26］。即为骨髓微环境诱导白血病的潜在作用提供了可能的临床证据。

也有证据表明微环境异常可能在原发性骨髓纤维化的发病中具有重要作用［27］，在慢性原发性骨髓纤维化病理生理学基础中，克隆性造血细胞分泌的细胞因子介导了多克隆性间质反应，最终导致了纤维化［28］。

综上所述，骨髓微环境在MDS发病机制中起重要作用。为了进一步寻找新的治疗方案，提高疗效，改善预后，越来越多的研究者对瘤细胞赖以生存的骨髓微环境展开了一系列的研究，这些可能揭示骨髓微环境在MDS发病机制中的作用，有利于针对骨髓微环境的治疗策略的发展，有望为MDS寻找到新的治疗途径。

1 Renström J，Kröger M，Peschel C，et al．How the niche regulates hematopoietic stem cells［J］．Chem Biol Interact，2010，184(1-2):7-15．

2 Lévesque JP，Helwani FM，Winkler IG．The endosteal′osteoblastic′niche and its role in hematopoietic stem cell homing and mobilization ［J］．Leukemia，2010，24 (12):1979-1992．

3 Nagasawa T．The chemokine CXCL12 and regulation of HSC and B lymphocyte development in the bonemarrow niche［J］．Adv Exp Med Biol，2007，602:69-75．

4 Nie Y，Han YC，Zou YR．CXCR4 is required for the quiescence of primitive hematopoietic cells［J］．J Exp Med，2008，205(4):777-783．

5 Ilmer M，Karow M，Geissler C，et al．Human osteoblastderived factors induce early osteogenic markers in human mesenchymal stem cells［J］．Tissue Eng Part A，2009，15(9):2397-2409．

6 Naveiras O，Nardi V，Wenzel PL，et al．Bone-marrow adipocytes as negative regulators of the haematopoietic microenvironment［J］．Nature，2009，460(7252):259-263．

7 Mendez-Ferrer S，Lucas D，Battista M，et al．Haematopoietic stem cell release is regulated by circadian oscillations［J］．Nature，2008，452(7186):442-447．

8 Spiegel A，Shivtiel S，Kalinkovich A，et al．Catecholaminergic neurotransmitters regulate migration and repopulation of immature humancells through Wnt signaling［J］．Nat Immunol，2007，8(10):1123-1131．

9 Togari A，Arai M．Pharmacological topics of bonemetabolism:the physiological function of the sympathetic nervous system in modulating bone resorption ［J］．JPharmacol Sci，2008，106(4):542-546．

10 Kondo A，Yamashita T，Tamura H，et al．Interferon-gamma and tumor necrosis factor-alpha induce an immunoinhibitory molecule，B7-H1，via nuclear factor-kappa B activation in blasts in myelodysplastic syndromes［J］．Blood，2010，116 (7):1124-1131．

11 Gassmann P，Haier J，Schlüter K，et al．CXCR4 regulates tumor cell extravasation in vivo［J］．Neoplasia，2009，11(7):651-661．

12 Teicher BA，Fricker SP．CXCL12(SDF-1)/CXCR4 pathway in cancer［J］．Clin Cancer Res，2010， 16 (11):2927-2931．

13 Zhang Y，Zhao H，Zhao D，et al．SDF-1/CXCR4 axis in myelodysplastic syndromes:Correlation with angiogenesis and apoptosis［J］．Leuk Res，2012，36(3):281-286．

14 Chunkang C，Rui Y，Feng X，et al．The roles of SDF-1/CXCR4 axisand its relationship with apoptosis in the myelodysplastic syndromes ［J］．Med Oncol，2011，28(Suppl 1):S494-S500．

15 Economopoulou C，Pappa V，Papageorgiou S，et al．Cell cycle and apoptosis regulatory gene expression in the bonemarrow of patientswith de novo myelodysplastic syndromes(MDS)［J］．Ann Hematol，2010，89(4):349-358．

16 Liang Z，Brooks J，Willard M，et al．CXCR4/CXCL12 axis promotes VEGF-mediated tumor angiogenesis through akt signaling pathway［J］．Biochem Biophys Res Commun，2007，359(3):716-722．

17 Aanei CM，Eloae FZ，Flandrin-Gresta P，et al．Focal adhesion protein abnormalities in myelodysplastic mesenchymal stromal cells［J］．Exp Cell Res，2011，317(18):2616-2629．

18 Golubovskaya VM，Cance WG．Focal adhesion kinase and p53 signaling in cancer cells［J］．Int Rev Cytol，2007，263:103-153．

19 Yang SM，Lu SF，Fei XM，et al．Change of cytokine expressions on bone marrow mesenchymal stem cells in patients with bone marrow failure syndromes and its significance［J］．Zhongguo Shi Yan Xue Ye Xue Za Zhi，2010，18(6):1560-1563．

20 Toth ZE，Leker RR，Shahar T，et al．The combination of granulocyte colony-stimulating factor and stem cell factor significantly increases the number of bone marrow-derived endothelial cells in brains of mice following cerebral ischemia ［J］．Blood，2008，111(12):5544-5552．

21 Buccisano F，Maurillo L，Tamburini A，et al．Evaluation of the prognostic relevance of L-selectin and ICAM1 expression inmyelodysplastic syndromes［J］． Eur J Haematol，2008，80(2):107-114．

22 Raaijmakers MH，Mukherjee S，Guo S，et al．Bone progenitor dysfunction induces myelodysplasia and secondary leukaemia［J］．Nature，2010，464(7290):852-857．

23 Walkley CR，Shea JM，Sims NA，et al．Rb regulates interactions between hematopoietic stem cellsand their bonemarrow microenvironment［J］．Cell，2007，129:1081-1095．

24 Walkley CR，Olsen GH，Dworkin S，et al．A microenvironment-induced myeloproliferative syndrome caused by retinoic acid receptor gamma deficiency ［J］．Cell，2007，129(6):1097-1110．

25 Tesfai Y，Ford J，Carter KW，et al，Interactions between acute lymphoblastic leukemia and bone marrow stromal cells influence response to therapy ［J］．Leuk Res，2012，36(3):299-306．

26 Flynn CM，Kaufman DS．Donor cell leukemia:insight into cancer stem cells and the stem cell niche ［J］．Blood，2007，109(7):2688-2692．

27 Tripodo C，Di Bernardo A，Ternullo MP，et al．bone marrow osteoprogenitors increase in the advanced stages of primary myelofibrosis ［J］．Haematologica，2009，94(1)，127-130．

28 Barosi G，Gale RP，Bonemarrow fibrosis in myeloproliferative neoplasms-associated myelofibrosis:deconstructing a myth? ［J］．Leuk Res，2011，35(5):563-565．