造血干细胞

第一章造血干细胞（HemapoieticStemCell）TotipotentHematopoieticStemCellPluripotentHematopoieticStemCell一、血细胞起源的传统观点二、多能造血干细胞的发现三、多能造血干细胞的基本特性四、造血干细胞的组成五、造血祖细胞的增殖与分化六、各种造血祖细胞的增殖与分化七、造血干细胞(多能造血干细胞)的形态八、多能造血干细胞的来源九、造血干细胞研究的医学意义一、血细胞起源的传统观点长期以来有一元论、二元论、三元论和多元论学派之争。目前的观点。1、Maximow和Bloom等的一元论学派原始网状细胞原血细胞，在不同的局部环境条件下再分化为各种血细胞。在骨髓分化发育为红细胞、粒细胞和巨核细胞。在淋巴器官发育为单核细胞和淋巴细胞。还认为原血细胞和原淋巴细胞、大淋巴细胞是同等细胞。网状细胞↓原血细胞骨髓淋巴器官↓红系粒系巨核细胞系单核细胞系淋巴细胞系网状细胞成髓细胞原淋巴细胞红系粒系巨核细胞系单核细胞系淋巴细胞系2、Naegi和Ehrich为代表的二元论学派网状细胞先分化为两种不同的原始细胞。一类称为成髓细胞（Myeoblast），增殖分化为红细胞系、粒细胞系、巨核细胞系和单核细胞系，分化为骨髓成份。另一类是原淋巴细胞（Lymphoblast），增殖分化为淋巴细胞系和单核细胞系。网状细胞原粒细胞原红细胞原淋巴细胞粒系巨核系单核系红系单核细胞系淋巴细胞系3、Schilling为代表的三元论学派网状细胞先分化为三类不同原始血细胞。原粒细胞增殖分化为粒、巨核和单核细胞系；原淋巴细胞增殖分化为淋巴细胞和单核细胞系；原红细胞（Erythroblast）增生分化为红细胞。4、Sabin为代表的多元论学派各细胞系分别由各自的原始细胞在不同的部位生成。红细胞系由血窦内皮分化来的成红细胞发育而成。结论：尽管各学派观点有所不同，但都主张网状细胞或网状细胞和血窦内皮分化成原血细胞，即网状细胞是各种血细胞的始祖。5、目前的研究认为，一元论的观点基本正确主要不同点：多能造血干细胞不是过去认为的网状细胞。实验依据如下：网状细胞对射线照射不敏感。当用射线照射动物杀伤各种血细胞后，骨髓中的网状细胞仍存留；给照射后动物注射氚胸腺密啶核苷(3H-TdR)，3H-TdR可掺入到网状细胞中，且维持很长时间，说明该细胞增殖不活跃。其他任何造血细胞均无标记现象。结论：网状细胞不作为造血干细胞直接产生血细胞，但它参与构成造血诱导微环境，对血细胞的增殖和分化有重要影响。二、多能造血干细胞的发现1、多能造血干细胞存在的事实Till和McCulloch1961年，首先证明了多能（造血）干细胞（MultipotentialStemCell，MSC）的存在。他们在给受致死剂量60Co照射小鼠输入同种小鼠骨髓细胞。8～11天后，可见在受体小鼠的脾表面出现了肉眼可见的结节，称脾集落（SpleenColony）。当时并不知道每个脾集落是起源一个多能造血干细胞，因此笼统地把它称为脾集落形成单位（ColonyFormingUnit-Spleen，CFU-S）。ＣＦＵ数骨髓细胞数组织切片，光镜下观察：证实脾集落可以由红系、粒系或巨核细胞系，或其中的二者或三者混合组成。将单一细胞集落的细胞再输入另一只经60Co照射后的小鼠，仍可同样得到上述类型的脾集落。研究证明：脾集落的生成数与移植的骨髓有核细胞数之间呈线形关系。给小鼠输入带有标记的骨髓细胞。2、人造血细胞中存在多能造血干细胞白血病患者的骨髓细胞染色体分析提供了间接依据。Nowell等发现：80%～90%的慢性粒细胞白血病（CML）患者的骨髓细胞中可出现一个异常的小染色体，以后人们证明它是第22对染色体长臂短缺后的剩余部分，称Ph1染色体。观察中发现慢性粒细胞白血病患者的红细胞系、粒细胞系和巨核细胞系均具有Ph1畸形染色体。推测：这三系细胞有共同的来源。它们前身细胞染色体的改变，导致它增殖分化后的所有血细胞都具有该标志染色体。阵发性睡眠性血红蛋白尿症患者的研究中发现：细胞缺陷不仅存在于红细胞，也存在于粒细胞和血小板，证明了三种血细胞有着共同的来源。Martin（1980）在CML患者中发现：Ｂ细胞和其它骨髓系的细胞一样，也具有同样的Ph1染色体。Moore（1979）在３例CML急性发作的患者中发现：前Ｂ细胞表型的白细胞。上述情况也证明，这两种疾病的发生也都是由于多能造血干细胞异常所致。人骨髓细胞体外长期培养的成功与混合性集落的发现为人类多能造血干细胞的存在提供了直接的依据。Prohal（1978）从铁幼粒细胞性贫血病人中发现了具有Ｔ/Ｂ细胞、髓系造血干细胞、巨噬细胞都含有相同的葡萄糖-6-磷酸脱氢酶（G-6-PD）同功酶。综上所述，可以推测人、小鼠和大鼠体内有着不同等级的，或具有不同分化潜能的造血干细胞群。结论：目前研究发现，机体的许多器官内均存在造血干细胞，但以胎肝最多，在成体则以骨髓最多。G-6-PD有A、B型两种形式：所有白种人的G-6-PD为B型；黑种人的G-6-PD为A型；1/3黑人妇女是G-6-PD为杂合子：她们的体内，包括皮肤成纤维细胞、血细胞等所有的组织，都是G-6-PDA、B型细胞的混合物。但对患CML、具有G-6-PD杂合子的黑人妇女G-6-PD同功酶的研究表明：其皮肤中成纤维细胞的G-6-PD表型仍然是A、B混合型。但她们的红细胞、单核细胞、粒细胞、血小板和淋巴细胞仅含一种形式的同功酶，或是A型、或是B型。说明这些血细胞是来源于A型、或B型G-6-PD的同源细胞，即以上血细胞都起源于一个多能造血干细胞。三、多能造血干细胞的基本特性多能造血干细胞具有很强的增殖能力：3H-TdR标记试验表明：正常机体中大部分多能造血干细胞处于静止状态，即Ｇ0期；大约10％的多能造血干细胞处于增殖状态。它们可以增生并向不同的方向分化。多能造血干细胞具有多向分化的潜在能力：它可生成大量形态上可识别的幼稚和成熟的血细胞。多能造血干细胞具有自我更新的能力：多能造血干细胞不仅能持续地补充各种血细胞，还能通过自我更新（Selfrenew）保持它的特性和恒定数量。脾集落组织学检查表明：红系细胞组成的脾集落占多数，占脾集落总数的35％～76％；粒系细胞组成的脾集落占11％～35％；巨核细胞组成的脾集落占0％～24％；三类细胞组成的混合性集落占6％～30％；另外，还可见一些低分化细胞集落。四、造血干细胞的组成造血干细胞不是单一的细胞群体，而是由不同发育等级（Hierarchy）的干细胞组成。Magli及Iscove（1982）以摄影定位方法进一步发现：第8天的脾集落在72小时内都会消失。第11天开始又重新形成新的脾集落。第11天的CFU-S被称为CFU-S1。第8天的CFU-S则被称为CFU-S2。Lord进一步推测：CFU-S1是具有较强自我更新和多向分化能力的脾集落生成细胞，即目前认为的多能造血干细胞；CFU-S2则是一类自我更新能力弱或是具有多向分化，但失去自我更新能力的脾集落生成细胞，即目前认为的多能造血祖细胞。用5-氟脲嘧啶（5-FU）或长春新碱等先杀死处于细胞周期的CFU-S，发现余下的非周期或慢周期的CFU-S比周期中的CFU-S具有较强的自我更新能力。外周血的CFU-S自我更新能力比骨髓的CFU-S弱。有人认为，它们可能是被淘汰到外周血中的〖老化的〗CFU-S。五、造血祖细胞的增殖与分化各细胞系虽都源于造血干细胞，但他们的发生、发育却是分别进行、分别调节、相互协调的。在造血细胞的发育、增殖和分化过程中，多能造血干细胞首先增殖分化为各系的造血祖细胞（progenitorcell），即各系的造血母细胞，也称定向干细胞（CommittedStemCell）。造血祖细胞不同于多能造血干细胞之处是，它已有所分化，其特征是：失去多向分化的能力，不能发育为各种血细胞，而只能向一系或密切相关的两系细胞分化（如中性粒细胞与巨噬细胞）；增殖潜能已不是〖无限的〗，不能反复自我更新，只能更新数次，数量的恒定依靠多能造血干细胞的增殖来补充；具有对调节因子发生反应的〖特殊结构〗，后者很可能是细胞表面受体。正常小鼠中：多能造血干细胞的增殖率较低：一般处于S期的多能造血干细胞少于10％，绝大多数（90％）处于静止状态（G0）期。若先用射线或细胞毒剂杀伤小鼠的幼稚细胞，在其造血恢复期则会有大量多能造血干细胞从静止状态转入增殖周期。增殖率可较正常对照者高25％～50％。以后，重新降低至正常水平。造血祖细胞的增殖率比较高：例如：红细胞系集落生成细胞（CFU-E）处于增殖周期的细胞为70％～75％。中性粒细胞-巨噬细胞集落生成细胞（GM-CFU）处于增殖周期的细胞为20％～40％。在人类：GM-CFU中27％～37％处于S期，即约有1／3的细胞处于增殖状态。关于多能干细胞从G0期转入S期的调节控制，目前尚不清楚。Byron在体外实验中发现：3种机制能启动静止的多能干细胞重新合成DNA，分别是：①β1肾上腺素能受体的刺激；②胆碱能受体的刺激；③类固醇物质刺激。粒细胞系定向干细胞与多能干细胞的差别之一正是缺乏β1肾上腺能受体。以往的概念认为：多能造血干细胞周围的造血基质细胞（网状细胞）并不分泌上述刺激物。多能造血干细胞与基质细胞间的接触性调节机制似乎是存在的，但是对于造血基质细胞及其调节的本质尚不清楚。目前认为：多能造血干细胞可重建永久性造血，而造血祖细胞只能重建非永久性造血。但是，在自我更新和分化方面，髓系造血祖细胞的与淋巴造血祖细胞不同。•T细胞造血祖细胞在进入T细胞系之前仍保留自我更新能力；•B细胞只是在浆细胞阶段才失去自我更新的能力。六、各种造血祖细胞的增殖与分化：1．粒系造血祖细胞1966年Bradiley和Metcalf首先创立了半固体琼脂培养基培养骨髓和血液白细胞的方法。加入集落刺激因子（colonystimulatingfactor，CSF），骨髓细胞可在体外琼脂培养条件下生成主要由粒系，或单核-巨噬细胞，或两者混合组成的细胞团。粒细胞集落生成单位(colonyformingunitgranulocyte，CFU-G）；单核-巨噬细胞集落生成单位(colonyformingunitmacrophage，M-CFU）或粒-单系集落生成单位(colonyformingunitgranulocyte-macrophage，GM-CFU)。以上这类细胞笼统地称为粒系祖细胞。目前的实验证明：粒细胞和单核细胞来自共同的造血祖细胞。数量：在正常人，骨髓中为20～150个／105有核细胞；末梢血中为1～10个／105有核细胞。研究表明：一日之内循环血中CFU-GM数量呈时相性变化：上午9时处在高峰期，下午3时至夜间3时水平较低，其数量分别为一日平均值的150％和65％。体育活动也能增加循环血中多能造血干细胞和祖细胞的数量。2．红系造血祖细胞20世纪70年代初，Stephesom，Axelrad和Mcleod等用含红细胞生成素(erythropoietin，EPO)的血浆凝块培养基，从小鼠胎肝或人骨髓培养出红细胞集落，称为红细胞集落生成单位(colonyforminguniterythroid，CFU-E)，即红系祖细胞。CFU-E是一种小而发育迅速的集落，内含8个～32个含血红蛋白的细胞。在小鼠，一般只需培养2天即可形成。在人则需培养7天方可形成。Cormack用显微摄影术证实：CFU-E是一个可动的、有增殖能力的大细胞。它在EPO作用下分化为可识别的幼稚红细胞，并开始合成血红蛋白。Axelrad等随后进一步培养出另一种较CFU-E更早期的红系造血祖细胞，他们或聚集在一起，或散在成许多小的细胞团，宛如爆炸开来，故命名爆炸裂样红细胞生成单位（burstformingunit-erythroid，BFU-E）。BFU-E的特性：集落很