单细胞测序和基因编辑技术在造血干细胞研究中的应用

造血干细胞对血液系统稳态维持发挥着至关重要的作用,它通过自我更新以维持自身不被耗竭,同时通过定向分化,补充各类功能血液细胞。当造血干细胞自我更新和定向分化出现问题,就会产生一系列造血系统疾病,例如髓系白血病、淋系白血病和骨髓增生性疾病等。关于造血干细胞的衰老和疾病变迁的调控机制一直是研究的热点。作为异质性细胞群,造血干细胞命运受到细胞内调控因子、细胞外生长因子、细胞外基质蛋白等多种因素调控,这是一个高度复杂且精确的调控过程。单细胞测序技术的发展,可以在单细胞水平从基因组、转录组、表观遗传组和蛋白质组等方面了解造血干细胞的命运调控网络。利用基因编辑技术可以建立多种基因修饰动物模型,不仅可以用于基因功能研究,也可以用于评价造血干细胞的安全性。此外,基因修饰动物模型结合单细胞测序技术,还能对造血干细胞实现命运示踪和调控分析。单细胞测序和基因编辑等新技术的应用,极大地推动了造血干细胞相关研究的进展。本文将从这些新技术在造血干细胞研究领域中的应用和存在的问题进行阐述,方便大家了解这些技术的优缺点,以便在以后的应用中提供帮助。     

狗外周血造血干细胞体外培养条件的探讨

近年来,利用骨髓细胞、胎肝细胞、外周血单个核细胞治疗造血障碍性疾病是引人注目的研究动向,也是治疗极重度放射病包括肠型放射病的可能有效措施。它们有效成分是造血干细胞。就造血干细胞的来源来看,在外周血中的造血干细胞数量虽少,但分离浓集比较方便,也容易为人们所接受。关于外周血干细胞的测试技术,对各种动物都已有报道,但对狗     

造血干细胞及其应用研究进展

造血干细胞(hematopoietic stem cells, HSCs)是一类多能干细胞,位于特殊的造血微环境,主要存在于骨髓中。其能自我更新和多向分化为各种功能的血细胞,维持血液系统的建立和动态平衡。造血干细胞的这些重要特性以及造血干细胞移植在临床上的广泛应用,结合基因治疗和基因编辑技术的进步,使得基于造血干细胞治疗多种血液疾病和免疫疾病的基因治疗研究在近年来取得了很大的进展。该文将从造血干细胞生物学特征、来源、造血干细胞微环境的基础研究,以及造血干细胞基因治疗、自体造血干细胞移植治疗β-地中海贫血等方面的临床研究和应用进展进行综述。     

胚胎干细胞向血液干细胞定向分化的研究进展

骨髓移植是目前治疗恶性白血病以及遗传性血液病最有效的方法之一。但是HLA相匹配的骨髓捐献者严重短缺,骨髓造血干细胞（hematopoietic stem cells,HSCs）体外培养困难,在体外修复患者骨髓造血干细胞技术不成熟,这些都大大限制了骨髓移植在临床上的应用。多能性胚胎干细胞（embryonic stem cells,ESCs）具有自我更新能力,在合适的培养条件下分化形成各种血系细胞,是造血干细胞的另一来源。在过去的二十多年里,血发生的研究是干细胞生物学中最为活跃的领域之一。小鼠及人的胚胎干细胞方面的研究最近取得了重大进展。这篇综述总结了近年来从胚胎干细胞获得造血干细胞的成就,以及在安全和技术上的障碍。胚胎干细胞诱导生成可移植性血干细胞的研究能够使我们更好地了解正常和异常造血发生的机制,同时也为造血干细胞的临床应用提供理论和实验依据。     

国外动态

日科学家以干细胞制造血小板日本京都大学的研究团队以"诱导性多能干细胞(iPS细胞)"的新技术制造血小板,这种血小板无癌化问题,在对老鼠的实验中也能正常运作。科学家从iPS细胞中制造出造血前驱细胞,并使其分化成可产生血     

Nature:研究首次在实验室利用人多能性干细胞制造出造血干细胞

正在一项新的研究中,来自美国波士顿儿童医院等研究机构的研究人员首次在实验室中利用能够产生体内几乎任何一种细胞类型的多能性干细胞制造出人造血干细胞。这一进展为研究血液疾病的根本原因和利用病人自己的细胞产生用于治疗目的的免疫匹配性血细胞开辟新的途径。相关研究结果在线发表在Nature期刊上。论文通信作者、波士顿儿童医院干细胞移植项目主任     

胚胎干细胞体外分化为造血干细胞

造血干细胞移植已成为治疗白血病、再生障碍性贫血、重症免疫缺陷征、地中海贫血、急性放射病、某些恶性实体瘤和淋巴瘤等造血及免疫系统功能障碍性疾病的成熟技术和重要手段,另外这一技术还被尝试用于治疗艾滋病,已取得积极的效果。但是由于移植需要配型相同的供体,并且过程复杂,使得造血干细胞移植因缺少配型相同的供体来源以及费用昂贵而不能被广泛应用。胚胎干细胞是一种能够在体外保持未分化状态并且能进行无限增殖的细胞,在适合条件下能够分化为体内各种类型的细胞,研究胚胎干细胞分化为造血干细胞,不仅可作为研究动物的早期造血发生的模型,而且可以增加造血干细胞的来源,还可以通过基因剔除、治疗性克隆等方法来解决移植排斥的问题,从而为造血干细胞移植的发展扫除了障碍,因此有着重要的研究价值和应用前景。现对胚胎干细胞体外分化为造血干细胞的诱导方法,诱导过程中的调控机制,并对胚胎干细胞分化为造血干细胞的存在问题和发展前景进行讨论。     

IL-33转基因小鼠骨髓造血干／祖细胞向髓系细胞分化的能力增强

目的：利用IL-33转基因小鼠研究IL-33对造血干/祖细胞的增殖和分化影响。方法利用流式细胞仪分析IL-33转基因小鼠及同窝野生对照小鼠的外周血、脾脏、骨髓细胞的免疫表型及造血干细胞分化不同阶段细胞的数量变化;利用体外成克隆实验和细胞周期分析研究IL-33对于造血干细胞增殖能力的影响。结果与野生型小鼠相比,IL-33转基因小鼠B细胞和T细胞在外周血中都明显降低,粒细胞在外周血和骨髓中都有明显增加;IL-33转基因小鼠的骨髓造血干细胞和多能祖细胞数量减少,共同淋系祖细胞数量减少,共同髓系祖细胞和粒单系祖细胞数量增加;IL-33转基因小鼠的造血干细胞处于S-G2-M的细胞增多;体外单克隆实验发现IL-33转基因小鼠造血干细胞形成的集落数增加。结论 IL-33转基因小鼠造血干细胞增殖能力增强,更易向髓系细胞分化。     

脐带血造血干细胞治疗糖尿病的研究进展

脐带血造血干细胞具有极强的自我更新和多向分化潜能,为治疗糖尿病开辟了新的途径,造血干细胞在生成胰岛素分泌细胞前需要经过诱导分化、细胞选择和细胞成熟三个阶段。目前,脐带血造血干细胞在治疗糖尿病中已取得一定进展,将造血干细胞定向分化为胰岛β细胞成为了治疗的关键。本文通过对脐带血的特征、造血干细胞的制备和移植、糖尿病的治疗以及脐带血造血干细胞移植的利与弊等方面进行的归纳总结,分析脐带血造血干细胞在治疗糖尿病方面的进展和应用前景。     

Zfx基因与干细胞自我更新

干细胞具有自我更新保持不分化状态的特性,不同的干细胞具有不同的自我更新机制. Zfx基因(zinc fin ger-X gene)在部分胚胎干细胞和造血干细胞中高表达,该基因高表达有利于胚胎干细胞和造血干细胞自我更新; Zfx基因表达不足或缺乏的胚胎干细胞和造血干细胞自我更新的能力下降,细胞凋亡明显增加.在胚胎干细胞和造血干细胞中发现一些Zfx基因直接调控的靶基因,Zfx 基因可能是控制各种干细胞自我更新的共同的分子机制. Zfx基因表达不足不影响胚胎干细胞和造血干细胞的分化,缺乏 Zfx基因的胚胎干细胞和造血干细胞能够正常分化为各自的功能细胞.     

内皮和造血系统特异性敲除Rictor基因对胎肝造血的影响

目的:研究Rictor基因对胚胎发育过程中胎肝造血的影响。方法:利用Cre-LoxP基因敲除系统,特异性在小鼠内皮(VEC-Cre)和造血(Vav1-Cre)系统敲除Rictor基因;通过流式细胞术分析特异敲除Rictor基因后小鼠胚胎第15 d胎肝中的各系细胞比例的变化,并进一步分析造血干细胞的变化。结果:利用VEC-Cre和Vav1-Cre小鼠敲除Rictor基因后,胎肝中各系细胞比例均有所减少,B细胞比例的减少较为明显,造血干细胞比例也明显减少。结论:Rictor基因敲除损害胎肝组织中造血干细胞的产生和各系细胞的分化。     

骨髓微环境对造血干细胞静息的调节机制

自我更新、多向分化和静息状态是造血干细胞的重要特征,其中静息状态的维持是维持造血干细胞数量及造血干细胞池稳定的重要机制。骨髓微环境是造血干细胞定居的场所,是维持造血干细胞静息必要的土壤,尤其是成骨细胞微环境可通过多种跨膜分子信号通路、黏附分子等调节造血干细胞的静息。造血干细胞静息关系到造血干细胞自我更新的平衡,其失衡与白血病的发生及白血病干细胞的干性维持相关。该文通过总结近几年最新研究进展并结合作者实验室的研究成果,对介导骨髓微环境调节造血干细胞静息的主要分子机制作一综述。     

造血干细胞嵌合体诱导移植免疫耐受

造血干细胞混合嵌合体是指两个不同基因型个体的骨髓造血干细胞共存的一种状态。在同种异体或异种移植的动物模型中,造血干细胞混合嵌合体巳成功地诱导出针对供者特异性的免疫耐受。现已证实造血干细胞具有否决活性,来自造血干细胞的否决细胞在诱导移植特异性免疫耐受中可能起重要作用。     

基于单细胞转录组分析的造血微环境研究进展

成体造血干细胞(hematopoietic stem cell,HSC)是一类主要定居于骨髓,具有自我更新和多向分化潜能的成体干细胞。HSC能够源源不断地产生各谱系成熟血细胞以维持造血系统的动态平衡。HSC功能特性的维持不仅依赖细胞本身的内在调控,还受到其所处的造血微环境或造血龛(hematopoietic microenvironment or hematopoietic niche)中多种成分的影响,因此研究造血微环境对揭示稳态造血调控、HSC体外扩增以及血液系统疾病的发生和发展等具有重要意义。以往研究利用体内成像技术和细胞特异的基因敲除技术,发现了造血微环境中多种细胞、细胞因子以及细胞外基质等成分。但作为一个复杂的三维系统,造血微环境的细胞组成、空间区域划分以及在正常造血维持及应激条件下的作用目前仍有争议。近年来,单细胞组学技术的迅速发展为阐明造血微环境的细胞和分子的异质性提供了新方法,为造血微环境的研究翻开了新的篇章。该文就单细胞转录组测序技术在骨髓微环境研究领域的最新进展进行综述。     

胎肝造血干细胞的移植特性

胚胎发育中,肝脏是一个重要的造血器官。近年来胎肝移植的临床应用重新引起了人们的关注。本文应用染色体的 C-带染色法研究了小鼠骨髓和胎肝造血干细胞在照射受体小鼠中的增殖能力与相互间的竞争作用。实验结果表明胎肝造血干细胞在成年骨髓中的植入率比较同样条件下的成年骨髓造血干细胞低,但胎肝造血干细胞比较成年骨髓造血干细胞具有更强的自我更新或增殖能力。在同种胎肝造血干细胞移植中,为了降低同种移植抗力,提高移植的胎肝造血干细胞在受体中的耐受性,移植前对受体作适当的免疫抑制处理是必要的。因此,克服个体发育屏障和移植免疫屏障是提高同种胎肝造血干细胞移植效果中两个重要的研究课题。     

编委推荐

<正>Cell|造血干细胞微环境的形成和维持具有不同的表观调控机制造血干细胞具有自我更新和多谱系分化的潜能,可以维持血液系统稳态。在生理状态下,成体造血干细胞位于骨髓微环境中。间充质细胞(MSC)是骨髓造血干细胞微环境的关键组成成分,其中LepR⁺ MSC通过分泌造血干细胞维持因子,如SCF和CXCL12,支持造血干细胞的功能。     

造血干细胞生物学——研究与展望

造血干细胞（hematopoietic stem cell,HSC）是目前研究方法最为多样、研究技术手段最为成熟的一类组织干细胞,并且已经被成功运用于临床上对白血病以及先天性免疫缺陷等疾病的治疗。近年来,通过对一系列“转基因”与“基因敲除”小鼠模型的分析,人们对造血干细胞在胚胎早期发育过程中的发生与起源、造血干细胞“自我更新”与“定向分化”的调节机制、骨髓中造血干细胞的微环境（niche）对造血干细胞功能维持的调控,以及造血干细胞与白血病干细胞之间的相互关系等诸多方面都取得了很大的进展。如何实现造血干细胞的体外长期培养与扩增,实现胚胎干细胞（embryonic stem cell,ESC）或诱导多能干细胞（induced pluripotent stem cell,iPS细胞）向造血干细胞进行有效的定向分化,以及探索造血干细胞在病理状态（如癌症、贫血、衰老等）或应激状态下（如炎症与感染、组织损伤、代谢异常等）的功能变化,都将会是今后造血干细胞研究的重要方向。     

造血干细胞基因治疗:进展与挑战

造血干细胞具有自我更新和分化为各类血细胞的潜能,一直被认为是最理想的基因治疗靶细胞之一.近年来,基于慢病毒载体的造血干细胞基因治疗逐渐进入临床.同时,随着CRISPR-Cas9等基因编辑技术的不断发展,第二代造血干细胞精准基因治疗研究已经取得重要进展,预计将逐渐开始临床转化.但目前,造血干细胞基因编辑还面临一些问题亟待解决,尤其是精准编辑效率还需要大幅度提高.     

巨核细胞生成调控相关细胞因子及其作用研究进展

造血干细胞分化生成巨核细胞是一个十分复杂的过程,包括造血干细胞动员及其向巨核系祖细胞分化,巨核系祖细胞增殖、分化生成未成熟巨核细胞,巨核细胞的成熟和血小板释放等过程。研究发现,造血干细胞动员及其向各系细胞分化的大部分过程都在一种称为"龛"的结构中进行,多种龛内信号分子参与了造血干细胞的动员和分化调控。该文对造血干细胞龛内参与造血干细胞动员和分化生成巨核细胞的几种重要细胞因子及其调控作用进行综述。