造血微环境对恶性血液病的调控

侯 晓 燕

(陇东学院 岐伯医学院，甘肃 庆阳 745000)

造血微环境对恶性血液病的调控

侯 晓 燕

(陇东学院 岐伯医学院，甘肃 庆阳 745000)

造血微环境通常指具有调节造血干细胞自我更新、分化和增殖的一群由骨髓基质细胞和间充质组织细胞群组成的特定环境。造血干细胞与造血祖细胞及多种非造血细胞的相互作用是由一种复杂的细胞微环境调控的。近期研究的热点集中于发现造血微环境的组分及究竟何种因素作用于造血干细胞的产生、静息和扩增。阐明正常生理状态及恶性造血细胞与微环境的小分子之间相互作用的研究是将来指导临床的关键所在。总结了最新关于造血微环境生态学壁龛的见解并呈现了它与血液系统恶性肿瘤的多重链接。

造血微环境；造血干细胞；恶性血液病

Abstract： Hematopoietic microenvironment commonly refers to the pairing of hematopoietic and mesenchymal cell populations that regulates HSC self-renewal,differentiation,and proliferation.Recently,hotspots in the field of stem cell research on the composition of the HSC nich and the molecular factors exchanged between its components,which has implication for HSC production,maintenance and expansion.Hematopoietic stem cells(HSCs)interacted with are modulated by a complex multicellular microenvironment in the bone marrow,which includes both the HSC progeny and multiple non-hematopoietic cell types.Elucidating the mechanism of bidirectional interactions between normal physiological and hematological malignancies cells and their nich holds many promises for future clinical application.This article summarizes the latest insights into HSC niche biology and recent work showing multiple connections between hematological malignancies in the bone marrow microenvironment.

Keywords： hematopoietic microenvironment;hematopoietic stem cells;malignant hematonosis

造血干细胞(Hematopoietic stem cells,HSC)、造血祖细胞(Hematopoietic progenitor cells,HPC)的静息状态、分化及遗传性测定取决于它们与支持骨髓造血微环境(hematopoietic microenvironment)的多种细胞及基质细胞群、可溶性造血生长因子和与膜结合的骨髓基质细胞，以及趋化因子和受体间的相互作用[1，2]。这些成分呈网络结构样不均匀地分布在整个骨髓空间，但仍主要定位在一个专门的区域，称为干细胞壁龛(nich)。1978年，Schofield[3]首次提出了nich的概念，即造血微环境。壁龛是一个生态学术语，有机体的壁龛是指有机体生存的地方，有机体所从事的行为，以及有机体与环境相互作用的方式总称。第一个体内证明微环境调控造血干细胞的实验是采用转基因小鼠模型，旨在发现何种成分作用于骨髓微环境调节造血干细胞[4]。造血系统在形成各祖细胞及分化成各终末细胞的过程中需要持续不断的“营养”补充，这对维持正常细胞的氧合、凝血和免疫功能至为关键。源于这种日常绵延不断的需要贯穿于个体生命的始终，而造血干细胞位于各系别祖细胞的顶端，更是尤为重要。造血干细胞的一个广泛性临床运用就是干细胞移植，这是研究血细胞重建的一个重要途径。不可否认，干细胞自身的遗传性和免疫功能不可忽视，然而造血微环境这个概念的提出，使得越来越多的研究者发现，造血干细胞的增殖始动于造血微环境[5]。本文着重于强调造血微环境中细胞组分的非均质性对造血干细胞在分化过程中的价值和重要性，还将讨论在生理状态及病理过程中造血干细胞是如何与微环境的多种细胞成分相互调节，并将引入依据显示骨髓造血微环境在疾病发病机制中的作用，以及预测通过对微环境的调节进而治疗疾病的可能性。

1 骨髓造血干细胞的解剖学定位

当前，组织成像学技术的显著改善已经大大地提高了我们对骨髓组织的了解。骨髓组织是一种相当丰富的血管组织。利用标记HSC的细胞群对血细胞进行标记，显示了造血干细胞的位置主要位于骨髓，而更多近期的研究表明造血干细胞更集中分布于血管周围及骨膜区域，因此也有学者依据位置和功能的不同将造血微环境划分为骨内膜造血微环境和血管造血微环境。骨髓中的造血微环境并非静态，会因外环境的变化有所反应。调节造血干细胞微环境的一个显著因素是细胞因子诱导造血干细胞的动员。许多造血细胞因子，包括粒细胞集落刺激因子(G-CSF)，粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子(GM-CSF)、血小板生成素(TPO)、Kit配体及FLt3配体都具有动员造血干细胞至血细胞的能力。G-CSF在抑制成熟的成骨细胞时增加骨髓中的CAR细胞，同时G-CSF抑制CXCL12表达多种间充质干细胞群，例如内皮细胞及CAR细胞。CXCL12配体通过作用于CXC趋化因子受体(CXCR4)为造血祖细胞(HSPCs)在骨髓基质细胞进行信号通路，若药物抑制CXCL12/CXCR4结合，会抑制造血干细胞的静止状态，维持归巢[7]。对CXCR4骨髓嵌合体的研究表明：破坏CXCL12/CXCR4的信号传导是促进G-CSF诱导造血干细胞动员的主要机制。Toll样受体(TLRS)是一个模式识别受体家族，广泛表达于造血干/祖细胞，内皮细胞及多组间充质干细胞群、nestin-GFP+基质细胞及CAR细胞[8]。最近的研究显示：TLR信号通过对基底环境的改变调节造血，至少在一定程度上，是通过改变造血微环境调控造血干细胞的。一部分的TLR配体在受到感染的过程中，可能产生脂多糖(LPS)、单链RNA和肽。Boettcher[9]等人发现LPS诱导粒细胞的增加是依赖于TLR4对内皮细胞的刺激，而后续产生的G-CSF因子的细胞来源尚不清楚。同样，感染大肠杆菌的小鼠对HSPC的诱导依赖与CXCL12的表达，而这其中部分同样依赖于TLR4的信号介导。值得注意的是，Rutkowski[10]等人研究显示，肠道菌群可以通过TLR5诱导细胞因子白细胞介素6(IL-6)的表达促进造血。前列腺素E2(PGE2)是一种不饱和脂肪酸，具有多种生理活性，由环氧合酶(COX)在炎症刺激下合成，具有调节造血干细胞的能力。尽管PGE2在与PGE受体结合后可直接作用于造血干细胞，但仍有证据显示PGE2自身可以激活造血微环境并对造血干细胞产生效应。例如，利用二甲基前列腺素E2对骨髓间充质细胞进行预处理，可促进体外HSPC细胞的形成。PGE2在受到辐射后在造血微环境中迅速增加，经二甲基前列腺素E2治疗后的小鼠经致死剂量的辐射后抑制了HSPCs凋亡基因的表达并促进HSPCs细胞群在骨髓的活性。此外，PGE2的受体EP4通过调节间充质细胞及成骨细胞对骨髓造血干细胞进行调控，在临床上，PGE2的这些作用已经在灵长类动物及健康志愿者得到了证实[11]。

2 造血微环境对恶性血液病发病机制的影响

最近的数据表明，造血微环境在造血系统恶性肿瘤发生或进展的过程中作用逐渐突出，包括骨髓增殖性肿瘤(myeloproliferative neoplasmas,MPNs)、骨髓增生异常综合征(myelodysplastic syndromes,MDS)、急性白血病等。新兴的研究数据表明，在恶性血液疾病发展的过程中，造血微环境会伴随肿瘤细胞形成给予滋养，相反，正常的造血微环境却受到抑制，从而形成恶性循环。

2.1骨髓增殖性疾病(MPN)

在小鼠的模型中，骨髓基质细胞的改变足以引发MPNs。经过对骨髓移植后的小鼠研究显示，在体内，维甲酸受体的缺失，RBP JK与DNA的结合域(Notch信号的下游)或视网母细胞瘤细胞在基质细胞中都会引起MPN表型表达。越来越多的证据表明，造血微环境影响白血病干细胞的增殖、存活和迁移。当造血干细胞及造血祖细胞(HSC/HPCs)开始恶性转化为MPNs时，相应的造血微环境也随之发生变化。包括启动基质细胞纤维化和JAK-AT信号通路的激活[12]。在2008年世界卫生组织(WHO)对造血系统疾病和淋巴组织肿瘤分类中，MPNs疾病包括八类，而经典费城染色体阴性(PH-)的MPNs包括真性红细胞增多症(PV)、原发性血小板增多症(ET)和原发性骨髓纤维化(PMF)[13]。关于骨髓增殖性肿瘤的一个描述即是骨髓及髓外造血器官脾脏显示一个或多个造血前体细胞的扩增。增殖后的骨髓红系及巨核细胞系均伴有各自血细胞(红细胞、白细胞、血小板)成分的增加。而大约95%的PV患者有一个JAK2V617基因的突变或者一个少见的JAK2外显子的突变，同时当ET及PMF的患者20%～30%肌钙蛋白发生突变时同样可以产生JAK2V617基因的突变，这种发生概率约50%～60%。研究者观察到PMF、部分PV及少数ET患者一个典型的特征是骨髓造血细胞发生纤维化后具有逐步重塑造血基质细胞并改变造血微环境的趋势，这一点已在MPNs患者骨髓纤维化分级方面得到了充分证实[14]。

骨髓结构性的改变及对肿瘤造血细胞进行干扰可以反映出造血系统恶性肿瘤的微环境的改变。为了突出显示造血微环境的细胞组分，有学者运用传统的光学成像研究及荧光显微镜对从ET、PMF及PV患者获得的骨髓活检进行石蜡包埋的EDTA脱钙检测发现，多个可溶性的细胞因子有利于导致成纤维细胞表达平滑肌肌动蛋白。在纤维化的MPN患者那里，持续性肌纤维母细胞大量的分布在骨内膜血管，它的生成由于细胞外基质过度产生胶原从而加剧骨髓纤维化，进而深一步地改变造血微环境。肿瘤细胞通过产生各种生长因子及细胞因子作用于基质细胞。巨核细胞、单核细胞、巨噬细胞均被认为是促进骨髓纤维化的关键。此外，含有新生血管、炎性细胞及促纤维化因子如TGF-1的微环境会促进骨髓间充质干细胞收缩转换成SMA+肌成纤维细胞加速并发展MPNs患者骨髓纤维化的程度[15,16]。

骨髓造血微环境的异常不仅促进髓系肿瘤的发生，而且对药物的治疗作用同样具有负面影响。体外培养观测表明，基质细胞的衍生因子可以保护JAK2V617F突变细胞对JAK2抑制剂的治疗。然而，临床上长期采用JAK2抑制剂可以对骨髓造血微环境有一个明显的调控[17]。这种造血微环境对细胞纤维化的作用可以从多方面看到，例如作用于肝脏纤维化过程中的炎症反应等。

2.2骨髓增生异常综合征

骨髓异常综合征(MDS)的骨髓造血干细胞通常是过度增殖，但却以无效造血和血细胞减少为特征。造成这种矛盾现象的产生是由于这种情况是发生在前体细胞凋亡晚期。部分研究者认为，造血微环境是促进血细胞减少的凋亡信号源,促凋亡因子Fas配体是由间质细胞产生的，而其受体在MDS的骨髓造血细胞中表达。MDS患者的间质细胞在支持造血干细胞方面存在缺陷，而这种缺陷同样存在于MDS患者细胞间的粘附作用。对健康捐赠者与MDS人群骨髓间充质干细胞的共培养发现，相对于健康人群，MDS患者的造血干细胞数量及集落形成单位明显减少。在小鼠模型中，对正常的造血干细胞微环境进行活化发现可以对经辐射和化疗所导致慢性粒细胞白血病病情有所抑制。此外，移植物抗宿主病的小鼠模型证实了造血微环境的靶向性，可以对造血干细胞进行调控，这些研究为利用造血微环境改善骨髓衰竭性疾病提供了一个有力的理论基础。在大量的遗传学证据面前，进一步了解了骨髓造血微环境如何调节造血干细胞或诱发骨髓衰竭的支持性理论，其中一部分原因是由于对造血微环境这个组分的概念仍在不断研究和发展，而另一部分原因是因为部分恶性肿瘤可以修改自身所存在的微环境。例如，最近的数据表明，MDS患者的间充质细胞对异种移植物MDS干细胞尤为关键，进一步证明了微环境有效地参与了MDS的疾病发展，提示通过对微环境的刺激可作为治疗MDS患者的一个有效策略。

2.3白血病

尽管关于成骨细胞对正常造血干细胞的作用仍有争议，而最新的遗传小鼠模型中显示，成骨细胞同样作用于白血病的发展，并且MPNS会转化为白血病。Kode[18]等人的研究发现，具有b-catenin活性的等位基因在成骨细胞可诱导髓系白血病的遗传学改变。在这种遗传模型下，抑制Notch信号通路，祛除成骨细胞上的Notch配体Jagged1或通过药物抑制g-分泌酶，阻止急性髓系白血病的发生。成骨细胞表面表达的骨桥蛋白也可促进白血病的发展，类似于正常的造血干细胞，骨桥蛋白对静止状态下的白血病干细胞具有调节作用。在人体异基因移植的急性淋巴细胞白血病(ALL)模型中，对骨桥蛋白进行中和会增加化疗时细胞周期的敏感性。内皮细胞同样被提示参与了白血病的进展。采用一个激活Notch通路的T-急性淋巴细胞小鼠模型，移植后的T-急性淋巴细胞更容易位于骨髓周围的血管内膜区，这种T-ALL模型的介导依赖于CXCR4通路。白血病细胞或许也参与了骨髓微环境的改变。Colmone[19]等人通过对异基因移植后的B-ALL的小鼠模型研究显示，出现在骨髓中的白血病细胞归巢受损与来自健康捐献者的CD34+细胞的动员是相互独立的而部分可能是与基质细胞表达SCF的增加相关的。类似于JAK2V617F基因突变引起的MPN，侵润至中枢系统的急性髓系白血病会导致交感系统的改变而减少基质细胞GFP+蛋白的表达，从而进一步促进成骨细胞的扩增。相反，增加表达c-cmotif配体的白血病细胞会抑制成骨细胞，因此，白血病细胞可能对成骨细胞及一般的骨髓微环境具有不同的影响。最近，Duan[20]等人发现，对经照射产生免疫缺陷的小鼠注入人类急性淋巴细胞白血病细胞会造成由间质细胞群构成的造血微环境的改变。类似的结构在后续的化疗患者骨髓中也可以观察到，甚至在这种状态下的微环境会增加急性淋巴细胞白血病对化疗的敏感性，提示了在这种特定的微环境下有利于急性淋巴细胞的化学治疗。

2.4转移性肿瘤

在造血微环境中的骨髓间充质干细胞相互间作用也可能参与转移性骨癌的发展。前列腺癌异基因移植小鼠模型发现，在微环境的支持下，前列腺细胞会直接与正常的造血干细胞竞争。此外，通过活化造血干细胞群与CXCR4拮抗剂或者扩增成骨细胞群增加造血微环境的生态区域，会促进前列腺癌的骨转移。同样利用乳腺癌异基因小鼠模型，Sethi[21]，溶骨性骨转移引起的Jagged1蛋白表达激活成骨细胞后会导致骨髓中肿瘤的生长，然而值得注意的是，利用g-分泌酶抑制剂会减弱乳腺癌转移的发展。

综上，骨髓微环境在正常生理状态和恶性造血过程中发挥了关键性作用。骨髓微环境基质细胞支持造血的能力是动态的，并对外环境如炎症、损伤等应激能力较强。通过对骨髓基质细胞调节信号的干扰可能为治疗恶性造血提供新的策略和靶点。骨髓基质细胞的改变可能作用于恶性造血疾病的进展，利用转基因小鼠骨髓基质细胞携带的遗传变异原理实验证实，基质细胞功能异常的小鼠更容易发生骨髓增殖性疾病(MPNs)，然而，目前尚不清楚基质细胞的突变是否会导致造血系统恶性肿瘤[22]。相反，现有证据表明，具有改变基质细胞的恶性造血细胞因子，如FGF4，这些潜在的识别因素可能为新的治疗提供了方向[23]。一个新兴的观点即恶性细胞因子改变了骨髓造血微环境中关键的基质细胞成分的表达，如CXCL12和Jagged1,进而反过来诱导恶性造血细胞的生长。这些因素也同样支持正常的造血，究竟需要选择性地改变何种支持恶性造血细胞增殖的微环境因素仍需阐明。事实上，骨髓微环境中正常造血及恶性造血共存可能对治疗是一个机会性的操作，因此，针对如何提高正常造血，同时抑制恶性克隆这一问题，我们应继续十分重视并进行深入研究。

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【责任编辑赵建萍】

RegulationofHematopoieticMicroenvironmentonMalignantHematonosis

HOU Xiao-yan

(CollegeofQiboMedicine,LongdongUniversity,Qingyang745000,Gansu)

R55:R551

A

1674-1730(2017)05-0080-04

2017-02-25

侯晓燕(1985—)，女，甘肃庆阳人，硕士，主要从事血液病研究。