第一节造血干细胞的特性和分化

第一节　造血干细胞的特性和分化 (Characteristics and Differentiation of Hematopoietic Stem Cell)

HSC是具有高度自我更新和多向分化潜能的造血前体细胞，是存在于组织中的一群原始造血细胞，它们不是固定的组织细胞，可存在于造血组织及血液中，是机体各种血细胞的共同来源。

HSC具有如下生物学特征：

(1)自我更新能力　亲代细胞分裂而成的两个子代细胞，其中一个保留有HSC的全部生物学特征，从而维持干细胞池大小、干细胞数量以及干细胞质量。HSC通过自我更新能力，不断产生新的HSC以自我补充，从而生生不息。

(2)多向分化能力　HSC分裂后的另一个子代细胞进入分化程序，能分化为多种早期祖细胞，在细胞因子、骨髓微环境、胸腺微环境等参与下，最终发育成各种成熟血细胞。

(3)静止性　HSC具有巨大的功能储备，大多数HSC处于静止状态，在机体需要时进入细胞分裂周期。

(4)不均一性(异质性)　HSC包括两类处于不同分化水平的干细胞，即多能干细胞和定向干细胞。HSC不是纯一的细胞群体，而是由不同年龄等级的干细胞组成。

一、HSC的特性

1.HSC的起源

HSC在人胚胎2周时出现于卵黄囊，4周时开始转移至胚肝，5个月时骨髓开始造血，出生后骨髓成为HSC的主要来源。成年人HSC主要分布于红骨髓、脾脏及淋巴结，其中以红骨髓最为重要。外周血和脐带血中也含有一定数量的HSC。

造血组织中HSC的比例极低，且形态上无法与其他单个有核细胞相区别，故对HSC表面标记的认识，有助于干细胞的分离、纯化和研究。

2.HSC的形态

HSC是一种嗜碱性单核细胞，其大小约为8μm，呈圆形，胞核为圆形或肾形，胞核较大，具有2个核仁，染色质细质而分散，胞浆呈浅蓝色无颗粒状，在形态上与小淋巴细胞极其相似，但淋巴细胞体积较小，染色质浓染，核仁不明显且有细胞器。因此很难用形态学识别干细胞，并与其他独核细胞相区别。

关于对HSC的功能分析，长期以来仅限于对小鼠干细胞的研究，而对人干细胞的存在只是来自间接证据，因为不能在人体内进行如鼠体内的功能分析法。20世纪70年代以来，由于建立了新的体外细胞培养技术，大大促进了对人干细胞的直接研究。

3.HSC的表面标志

人HSC的主要标志为CD34和CD117(Kit)。CD34是原始HSC的一种特征性表面标志。CD34⁺细胞占骨髓细胞的1%～4%，另外从胎肝或脐血中也可分离出CD34⁺细胞。随着HSC分化成熟，其表面CD34表达水平逐渐下降，成熟血细胞不表达CD34。此外，CD34还表达于骨髓基质细胞、大部分内皮细胞、胚胎成纤维细胞和某些脑细胞表面； CD117(Kit)即干细胞生长因子受体(stem cell factor receptor，SCFR)，属于含酪氨酸激酶结构的生长因子，其胞外区结构属于IgSF。CD117⁺细胞占骨髓细胞的1%～4%。50%～70%的CD117⁺骨髓细胞表达CD34，约60%～75%的CD34⁺HSC同时表达CD117。

其他一些表面分子特征标志：

(1)HLA-DR　人HSC通常被定义为CD34⁺DR^－，其继续分化为CD34⁺DR⁺，故HLA-DR可能是HSC分化的重要标志之一。DR⁺HSC能分化为所有血细胞系，仍属干细胞。

(2)CD38　也是HSC的分化标志之一。CD34⁺细胞可分为CD34⁺CD38^－和CD34⁺ CD38⁺两个亚群，前者更为原始。CD38的表达可用于判断HSC的分化程度，也可用于分离HSC。

(3)CD45　CD34⁺细胞通常表达白细胞共同抗原CD45，早期HSC以表达CD45RO为主。

(4)其他谱系特征型标志　HSC不表达CD3、CD4、CD14、CD16、CD19、CD41、CD56等表面标志，据此可鉴别和分离HSC。

二、HSC的分化

多能HSC是由Till和MuCulloch等在20世纪60年代初，应用脾集落形成细胞定量法，首先在小鼠体内发现的。他们通过给经射线照射的小鼠输入同系鼠骨髓细胞，在10～14天后在脾内形成可见的结节，它是由单一骨髓细胞发育分化而形成的细胞集落，称其为脾集落形成单位(colony forming unit-spleen，CFU-S)。

HSC可包括三级分化水平，即多能干细胞(pleuripotent stem cell)、定向干细胞(committed stem cell)及其成熟的子代细胞(图9-1)。多能干细胞首先分化为定向干细胞，包括淋巴样干细胞(lymphoid stem cell)和髓样干细胞(myeloid stem cell)。淋巴样干细胞继续分化为B细胞、T细胞和NK细胞，其中T细胞和NK细胞在发育早期有共同前体细胞。髓样干细胞可继续分化为具有产生红细胞系、粒细胞系、巨核细胞系和单核/巨噬细胞系潜能的集落形成单位CFU-GEMM，后者可分别分化为中性粒细胞、单核/巨噬细胞、嗜酸粒细胞、嗜碱粒细胞、红细胞和血小板。中性粒细胞与单核/巨噬细胞在发育分化过程中有共同的前体细胞。

1.CFU-GEMM干细胞及其分化

(1)髓系CFU-GEMM　在GM-SCF、SCF和IL-3等生长因子刺激下，髓系CFUGEMM可进一步分化为粒细胞和单核细胞共同前体集落形成单位(colony forming unitcommon precursor of granulocyte and monocyte，CFU-GM)。后者在G-CSF/GM-CSF或MCSF/GM-CSF诱导下，可分别分化为中性粒细胞和单核/巨噬细胞两个不同谱系。

图9-1　造血干细胞的分化

(2)红系CFU-GEMM　红细胞生成素(EPO)作为最重要的生长因子，在红系干细胞分化中发挥最重要作用。在EPO和SCF存在的体外条件下，髓样干细胞可形成由许多细胞组成、形如爆米花样的集落，称为爆式红系前体形成单位(burst forming unit-erythroid precursor，BFU-E)，进一步分化可形成细胞数较少的红细胞集落形成单位(colony forming unit-erythrocyte，CFU-E)。

(3)嗜酸粒细胞CFU-GEMM　CFU-GEMM在GM-CSF、IL-5和IL-3诱导下，可分化为嗜酸粒细胞集落形成单位(CFU-Eos)，进而分化成熟为嗜酸粒细胞。

(4)嗜碱粒细胞CFU-GEMM　CFU-GEMM在IL-5、TGF-β(诱导下，可分化为嗜碱粒细胞集落形成单位(CFU-Baso)；在IL-3和IL-4存在下，可进一步分化成熟为嗜碱粒细胞。

(5)巨核系CFU-GEMM　血小板生成素(TPO)是参与巨核细胞/血小板谱系分化的关键造血生长因子。髓样干细胞在TPO和其他造血生长因子存在下，体外可形成巨核细胞集落形成单位(colony forming unit-megakaryocyte，CFU-Meg)。

2.淋巴样干细胞及其分化

(1)T细胞谱系　T细胞在胸腺中发育成熟，并在此过程中获得功能性TCR表达、MHC限制性以及自身耐受(详见本章第二节)。

(2)B细胞谱系　B细胞在骨髓中发育成熟，经历早期祖B细胞、晚期祖B细胞、大前B细胞、小前B细胞、未成熟B细胞和成熟B细胞等阶段。B细胞发育过程即是功能性BCR表达和自身免疫耐受形成的过程(详见本章第三节)。

(3)NK细胞　骨髓是NK细胞分化、发育的主要场所，IL-15在NK细胞发育和分化中起关键作用。在体外，IL-15可促进人CD34⁺祖细胞向NK细胞分化。预先用IL-6、IL-7和SCF等细胞因子共同刺激小鼠淋巴样干细胞，使其获得对IL-15的应答性后，IL-15可诱导此淋巴样干细胞向NK细胞分化(详见本章第四节)。