誘導多能干細胞在血液系統疾病中的研究進展

范荻 孫筱放

（廣州醫科大學附屬第三醫院 廣東省產科重大疾病重點實驗室 廣東普通高校生殖與遺傳重點實驗室，廣州 510150）

誘導多能干細胞在血液系統疾病中的研究進展

范荻 孫筱放

（廣州醫科大學附屬第三醫院 廣東省產科重大疾病重點實驗室 廣東普通高校生殖與遺傳重點實驗室，廣州 510150）

造血干細胞移植（hemopoietic stem cell transplantation，HSCT）用于血液系統疾病的治療已取得迅猛發展。但由于供體有限及配型效率不高等問題，嚴重阻礙了其在臨床上的廣泛應用。因此，人們迫切地尋求更為安全、經濟和有效的造血干細胞的資源。誘導多能干細胞（induced pluripotent stem cells，iPS）在體外可被誘導分化為多種細胞，其中對體外誘導分化為造血干細胞的研究尤為深入。該文就iPS細胞在體外定向分化為造血干細胞及移植研究的最新進展作一綜述。

造血干細胞移植；誘導多能干細胞；造血分化

血液病是原發于造血系統的疾病，或影響造血系統伴發血液異常改變，其常表現為貧血、出血和發熱等癥狀。我國兒童惡性癌癥的發病率呈上升趨勢，截至2014年的數據顯示，兒童惡性腫瘤中，白血病的發病率居第一位，約占1/3。對于惡性血液系統疾病而言，臨床上的化療效果往往不甚理想。自從20世紀中期，Thomas教授首先開展了造血干細胞移植以來，造血干細胞移植廣泛地被應用于血液病的臨床治療中，已經成為治療急性白血病、惡性淋巴瘤、重型再障等病的有效手段之一。目前造血干細胞的主要來源是臍帶血、骨髓和外周血［1］。造血干細胞移植主要分為自體和異體造血干細胞移植兩種。盡管自體移植具有無移植排斥、移植物抗宿主病等并發癥的優點，但自體HSC中殘留存在的腫瘤細胞可能導致移植后疾病復發；相反異體移植雖然遠期療效優于自體移植且復發率低，但是配型效率極低，來源有限，從而限制了異基因HSC移植的臨床應用。

因此，目前迫切尋求更為安全、成本較低、來源穩定簡單的造血干細胞資源。而對胚胎干細胞和iPS細胞定向分化為造血干細胞技術的研究有望解決這一難題。研究表明，小鼠、猴子和人的ESCs在體外都可以被誘導造血分化［2-4］。由于胚胎干細胞及其衍生物存在取材困難、免疫排斥、倫理道德等問題，而iPS細胞不存在上述問題，因此其成為很好的研究對象并有望應用于臨床。iPS細胞被稱為多能性細胞［5］，在體外能被誘導分化成多種來自各個胚層的細胞，如造血細胞，神經前體細胞，心肌細胞和生殖細胞衍生的細胞［6，7］等。iPS細胞這一特性將可能為揭示造血干細胞的發生過程提供一個較好的研究平臺，同時可幫助深入了解各類血液病的發病機制并為其治療帶來曙光。

1 iPS體外分化為造血干細胞研究進展

目前，科學家們研究胚胎干細胞體外定向分化成造血干/祖細胞已取得了驕人的成績。在1985年，Doetshman首先報道了小鼠胚胎干細胞可以在體外誘導生成造血細胞［8］。2001年，Kaufman等［9］實驗室首次發現，人類的胚胎干細胞可分化為造血細胞的各個系。2006年，Yamanaka和Takahashi［10］將4種因子導入小鼠成纖維細胞，成功地誘導出iPS細胞。次年，美國Thomson實驗室將人類成纖維細胞誘導生成iPS細胞［11］。iPS細胞在體外能像ESCs一樣誘導分化為多種細胞，而且因為來源于自身組織或細胞而不涉及倫理問題和免疫排斥等問題。iPS細胞的誕生進一步縮小了干細胞和臨床治療的疾病之間的距離，將可能成為再生醫學最有希望的供體細胞。

學者在研究ESCs體外分化的過程中，推斷iPS也應具有分化為造血干細胞的潛能，大量的實驗亦證明了這一推斷。在誘導過程中，人們借鑒了ESCs分化為造血干細胞的成功經驗。在2009年，Choi和Sulkvin等［12］成為第一個報道了iPSC細胞與OP9基質細胞共培養誘導造血分化的研究者，研究發現分化而成的單核淋巴細胞具有造血功能。 2010年，Lapillonne等［13］用胚狀體（embryoid body，EB）的方法將人iPSCs誘導分化成為紅細胞，同時利用人胚胎干細胞作為對照組，結果發現從h-iPSC分化而成的紅細胞與從h-ESC來源的幾乎完全一致，無論從表面抗原、血紅蛋白類型或功能上都無差別。2011年，Dias等［14］利用OP9基質細胞同時將h-iPSC和h-ESC誘導分化成紅細胞，其結果與之前報道的結果非常相似，并且都生成了胎兒血紅蛋白。除了形成擬胚體和與基質細胞共培養這兩種經典方法，Niwa等［15］利用單層誘導的方法將人體細胞來源的iPS細胞誘導分化得到CD34+細胞，他們采用無血清培養基添加VEGF、SCF、BMP4、TPO等細胞因子 得以完成分化。

最近的研究發現，不僅正常組織細胞可建立iPS細胞系，惡性組織細胞亦可誘導生成iPS細胞系。病人特異性iPS細胞系的建立，在細胞替代性治療、發病機制研究及藥物篩選方面具有潛在價值。2007年，Hanna等［16］將遭受鐮狀細胞貧血疾病的人源化小鼠成纖維細胞重編程為iPSCs。2009年，Raya等［17］將Fanconi貧血病人的體細胞重編程以獲得患者來源的iPS細胞，隨后他們將該細胞進行了基因糾正。實驗證實了校正后的細胞分化為紅系和髓系造血干細胞的能力與正常的相似。 2010年，Carette等［18］建立了惡性細胞來源的iPS細胞系，他本次應用的細胞為慢性粒細胞白血病患者的體細胞。 2013年，Saliba等［19］利用CD34+細胞在體外誘導生成iPS細胞，而該CD34+細胞來源于骨髓增值性腫瘤患者。2015年，本課題組Song等［20］利用β-地中海貧血患者的血液中分離的外周血單核淋巴細胞誘導生成iPS細胞系并利用CRISPR/Cas9打靶修復相關致病基因，結果表明，打靶修復后的iPS細胞造血分化效率明顯改善且可以生成β-珠蛋白（HBB）。

2 體外誘導生成的造血干細胞的動物移植研究進展

目前對造血干細胞的功能鑒定主要有集落形成（CFU-C）實驗、LTC-IC（long-term culture-initiating cell）實驗以及造血系統重建實驗。然而對造血干細胞功能鑒定最嚴格的標準是重建造血能力的移植實驗。由于目前最大的瓶頸問題是無法獲得大量且有功能的造血干細胞。因為體外實驗很難反映一個細胞群體中體內長期再植造血干細胞的真實數目和活性，這也致使體外檢測良好的細胞亞群，移植后不能長期重建造血和免疫的問題。為了攻破這一瓶頸問題，各種動物模型逐步開始建立。1983年，Bosma等首次建立了人源性小鼠動物模型，最開始該免疫缺陷鼠只是缺乏B、T細胞［21］。1995年，Shultz等［22］建立了NOD/SCID小鼠，這一模型的建立支持了更高水平的移植實驗。隨后一段時間，Shultz課題組又開發了NOR，BALB/c等模型鼠。NSG鼠除了缺乏B、T細胞，它將NK細胞也清除，研究表明，NSG小鼠進行CD34+體內移植效率比NOD/SCID小鼠高5倍多［23］。2011年，Rongvaux課題組發現在小鼠中表達一些人類因子，如TPO、IL-3、GM-CSF等可以提升移植效率［24］。有趣的是，性別也可以影響移植效果，Notta課題組發現雌性的NSG小鼠比雄性小鼠移植效率高6倍多［25］。

HSC不具有特異性的形態學特征，而且數量極少、體積較小、比重很輕。這些都增加了對其識別的難度，因為用于移植的細胞只有百萬分之一是有效細胞，那么如何將iPSCs體外分化而來的造血干細胞“純化”得到了廣泛的關注。目前最常用的分離辦法就是利用HSC表面的標志蛋白對其進行分離。CD34分子表達于早期造血干/祖細胞，內皮細胞和胚胎成纖維細胞表面，占血細胞總數量低于5%，人們最早分離造血干細胞就是應用CD34，而隨著研究的繼續深入，人們發現CD34+細胞可分為許多亞群，大多數細胞已被定向到特定的細胞系［26］。之后干細胞的表面標記CD90與CD34一起作為有多能造血干細胞的標記［27］。CD45RA、CD38是分化后前體細胞的表面標記，Lin認為其為特定細胞系的系列標記，如果表達陽性，則它就成為已分化的細胞。之后Notta等［28］通過移植實驗研究發現CD49f可以作為進一步區分HSCs的標志。CD49f在大約50%的Lin-CD34+CD38-CD45RA-CD90+的細胞中有表達，在大約25%的Lin-CD34+CD38-CD45RA-CD90-細胞中有表達，移植單個Lin-CD34+CD38-CD45RACD90+CD49f+Rho-的細胞可以重建小鼠造血系統，這說明使用CD49f可以更好的區分HSCs。Osawa等［29］研究發現利用CD34+c-Kit+Sca-1+Lin-細胞群植入致死量輻射的小鼠，結果表明該亞群的細胞表現出早期但并不持久的多系造血重建。Morel等［30］發現將CD34+Thy1lowLin-/lowSca-1+細胞亞群移植入小鼠后其造血功能也可恢復。證明該群體富含中短期多系祖細胞。除了免疫缺陷鼠，Zanjani等［31］利用胎羊動物模型來驗證CD34+Lin-、CD34+Lin-CD38-和CD34-Lin-三種細胞亞群的體內重建能力。結果發現，在移植后達10個月以上時存活的胎羊骨髓中仍存在人的造血細胞。這些研究都為日后iPS細胞分化而來的造血干細胞應用于臨床奠定必要的基礎。

3 iPS技術在血液系統疾病中應用前景及存在的問題

理論上誘導多能干細胞可以被誘導生成人體組織和器官，且基因糾正的iPS細胞還可以為遺傳性疾病提供新的治療方式，因此iPS技術的再生治療和自體組織替代療法具有很大的發展前景，為遺傳性、惡性血液疾病提供了重要的使用價值。對于常見的疾病如白血病，再生性貧血障礙，造血功能障礙等，結合iPS技術、基因修復及移植治療是一種嶄新的治療方法。但目前iPS細胞真正應用于臨床治療還面臨這許多障礙，如安全性問題，山中伸彌團隊最初使用逆轉錄病毒進行多能干細胞誘導，后來科學家們相繼使用慢病毒、腺病毒和質粒來代替［32］，但也存在各種病毒污染的問題。而我國鄧洪魁教授研究表明小分子化合物可誘導小鼠體細胞重編程為多能干細胞［33］，也有利用仙臺病毒等方法誘導人外周血淋巴細胞為iPS［34］，這些方法很大程度上提高了體外重編程iPS細胞的安全性；其次是誘導分化效率低，在體外集落刺激因子（colony stimulating factor，CSF）、白介素家族（interlukin，IL）、紅細胞生成素（erythropoietin，EPO）等可誘導iPS細胞分化為造血干細胞，但誘導效率都不高，不能達到臨床需要量。另外，許多研究報道不同組織來源的iPS細胞保留了供體組織來源的組織記憶信息，而且在后續的分化過程中也體現出傾向性［35，36］。最近，Sanchez-Freire等［37］研究發現使用同一患者的心臟祖細胞和皮膚成纖維細胞建立的iPS細胞系，體外定向誘導分化為心臟祖細胞的效率存在明顯差異，心臟祖細胞來源的iPS細胞分化為心臟祖細胞的效率顯著高于皮膚成纖維來源的iPS細胞。因此選用何種組織來源的細胞制備iPS也是血液系統疾病iPS細胞治療必須解決的關鍵問題。最后就是移植的問題，雖然已有大量的動物實驗證明iPS細胞可用于治療疾病，且這些細胞表面標記基因的研究中發現HSCs細胞表面一些特異性的表面標記，但是通過這些標記并不能完全區分出所有的HSCs，如通 過 Lin-CD34+CD38-CD45RA-CD90+CD49f+Rho-分離出的單個細胞，重建小鼠造血系統的成功率不到20%［38］。由于重建效率如此之低，所以應用于人類的治療一直沒有開展，直到2014年9月，Nature雜志報道了世界首例利用患者皮膚成纖維細胞來源的iPS細胞體外定向誘導分化為視網膜色素上皮細胞治療老年性黃斑性病變的臨床治療實驗，臨床實驗的效果還有待時間來進一步驗證［39］。

4 展望

雖然對人類和小鼠胚胎干細胞體外分化成造血干細胞的研究已經取得了較大的進展，但由于人類胚胎干細胞是從人類早期胚胎囊獲得，其來源有限、涉及倫理及免疫排斥問題，在臨床應用及研究中存在很大的局限性，而從體細胞誘導的iPS細胞體外誘導分化為造血干細胞則有效地回避了這些問題，使干細胞向臨床應用又邁進了一大步。與此同時，造血干細胞相關技術的不斷發展完善也使得越來越多的惡性血液系統疾病逐漸被攻破。這兩者相輔相成，iPS細胞體外分化為造血干細胞的研究也已取得突破性的進展。相信不久的將來，在人類的iPS細胞中將會衍生出更多其他類型的細胞，這為細胞治療、藥物篩選及某些特異性疾病的治療提供了無盡的供體細胞，在再生醫學領域和動物生物技術中具有廣闊的應用前景。

［1］Broxmeyer HE. Cord blood as an alternative source for stem and progenitor cell transplantation［J］. Curr Opin Pediatr, 1995, 7（1）：47-55.

［2］Shibata H, Ageyama N, Tanaka Y, et al. Improved safety of hematopoietic transplantation with monkey embryonic stem cells in the allogeneic setting［J］. Stem Cells, 2006, 24（6）：1450-1457.

［3］Roy L, Bikorimana E, Lapid D, et al. MiR-24 is required for hematopoietic differentiation of mouse embryonic stem cells［J］. PLoS Genet, 2015, 11（1）：e1004959.

［4］Paluru P, Hudock KM, Cheng X, et al. The negative impact of Wnt signaling on megakaryocyte and primitive erythroid progenitors derived from human embryonic stem cells［J］. Stem Cell Res, 2014, 12（2）：441-451.

［5］Zhao XY, Li W, Lv Z, et al. iPS cells produce viable mice through tetraploid complementation［J］. Nature, 2009, 461（7260）：86-90.

［6］Takahashi K, Tanabe K, Ohnuki M, et al. Induction of pluripotent stem cells from adult human fibroblasts by defined factors［J］. Cell, 2007, 131（5）：861-872.

［7］Dimos JT, Rodolfa KT, Niakan KK, et al. Induced pluripotent stem cells generated from patients with ALS can be differentiated into motor neurons［J］. Science, 2008, 321（5893）：1218-1221.

［8］Takahashi K, Tanabe K, Ohnuki M, et al. Induction of pluripotent stem cells from adult human fibroblasts by defined factors［J］. Cell, 2007, 131（5）：861-872.

［9］Kaufman DS, Hanson ET, Lewis RL, et al. Hematopoietic colonyforming cells derived from human embryonic stem cells［J］. Proc Natl Acad Sci USA, 2001, 98（19）：10716-10721.

［10］Takahashi K, Yamanaka S. Induction of pluripotent stem cells from mouse embryonic and adult fibroblast cultures by defined factors［J］. Cell, 2006, 126（4）：663-676.

［11］Yu J, Vodyanik MA, Smuga-Otto K, et al. Induced pluripotent stem cell lines derived from human somatic cells［J］. Science, 2007, 318（5858）：1917-1920.

［12］Choi KD, Yu J, Smuga-Otto K, et al. Hematopoietic and endothelial differentiation of human induced pluripotent stem cells［J］. Stem Cells, 2009, 27（3）：559-567.

［13］Lapillonne H, Kobari L, Mazurier C, et al. Red blood cell generation from human induced pluripotent stem cells：perspectives for transfusion medicine［J］. Haematologica, 2010, 95（10）：1651-1659.

［14］Dias J, Gumenyuk M, Kang H, et al. Generation of red blood cells from human induced pluripotent stem cells［J］. Stem Cells Dev, 2011, 20（9）：1639-1647.

［15］Niwa A, Heike T, Umeda K, et al. A novel serum-free monolayer culture for orderly hematopoietic differentiation of human pluripotent cells via mesodermal progenitors［J］. PLoS One, 2011, 6（7）：e22261.

［16］Hanna J, Wernig M, Markoulaki S, et al. Treatment of sickle cell anemia mouse model with iPS cells generated from autologous skin［J］. Science, 2007, 318（5858）：1920-1923.

［17］Raya A, Rodriguez-Piza I, Guenechea G, et al. Disease-correctedhaematopoietic progenitors from Fanconi anaemia induced pluripotent stem cells［J］. Nature, 2009, 460（7251）：53-59.

［18］Carette JE, Pruszak J, Varadarajan M, et al. Generation of i PSCs from cultured human malignant cells［J］. Blood, 2010, 115（20）：4039-4042.

［19］Saliba J, Hamidi S, Lenglet G, et al. Heterozygous and homo zygous JAK2（V617F）states modeled by induced pluripotent stem cells from myeloproliferative neoplasm patients［J］. PLoS One, 2013, 8（9）：e74257.

［20］Song B, Fan Y, He W, et al. Improved hemato poietic differentiation efficiency of gene-corrected beta-thalassemia induced pluripotent stem cells by CRISPR/Cas9 system［J］. Stem Cells Dev, 2015, 24（9）：1053-10 65.

［21］Fulop G, Philips M. The scid mutaion in mice causes a general defect in DNA repair［J］. Nature, 1983, 347（5）：479-482.

［22］Shultz L, Schweitzer P, Christianson L, et al. Multiple defects in innate and ada ptive immunological function in NOD/LtSz-scid mice［J］. Immunol, 1995, 154（9）：180-191.

［23］Shultz LD, Lyons BL, Burzenski LM, et al. Human lymphoid and myeloid cell development in NOD/LtSz-scid IL2R gamma null mice engrafted with mobilized human hemopoietic stem cells［J］. J Immunol, 2005, 174（1 0）：6477-6489.

［24］Willinger T, Rongvaux A, Takizawa H, et al. Human IL-3/GM-CSF knock-in mice support human alveolar macrophage development and human immune responses in the lung［J］. Proc Natl Acad Sci USA, 2011, 108（6）：2390-2395.

［25］Notta F, Doulatov S, Dick JE. Engraftment of human hematopoietic stem cells is more efficient in female NOD/SCID/I L-2Rgc-null recipients［J］. Blood, 2010, 115（18）：3704-3707.

［26］Ishii M, Matsuoka Y, Sasaki Y, et al. Development of a high-resolution purification method for precise function al characterization of primitive human cord blood-derived CD34-negative SCID-repopulating cells［J］. Exp Hematol, 2011, 39（2）：203-213.

［27］Majeti R, Park CY, Weissman I L. Identification of a hierarchy of multipotent hematopoietic progenitors in human cord blood［J］. Cell Stem Cell, 2007, 1（6）：635-645.

［28］Notta F, Doulat ov S, Laurenti E, et al. Isolation of single human hematopoietic stem cells capable of long-term multilineage engraftment［J］. Science, 2011, 333（6039）：218-221.

［29］Osawa M, Hanada K, Hamada H, et al. Long-term lymphohematopoietic reconstitution by a single CD34-low/negative hematopoietic stem cell［J］. Science, 1996, 273（5272）：242-245.

［30］Morel F, Galy A, C hen B, et al. Characterization of CD34 negative hematopoietic stem cells in murine bone marrow［J］. Blood, 1996, 88（2）：629.

［31］Zanjani ED, Almeida-Porada G, Livingston AG, et al. Human bone marrow CD34-cells engraft in vivo and undergo multilineage expression that includes giving rise to CD34+cells［J］. Exp Hematol, 1998, 26（4）：353-360.

［32］Stadtfeld M, N agaya M, Utikal J, et al. Induced pluripotent stem cells generated without viral integration［J］. Science, 2008, 322（5903）：945-949.

［33］Hou P, Li Y, Zhang X, et al. Pluripoten t stem cells induced from mouse somatic cells by small-molecule compounds［J］. Science, 2013, 341（6146）：651-654.

［34］Ye L, Muench MO, Fusaki N, et al. Blood cell-derived induced plur ipotent stem cells free of reprogramming factors generated by Sendai viral vectors［J］. Stem Cells Transl Med, 2013, 2（8）：558-566.

［35］Polo JM, Liu S, Figueroa ME, et al. Cell type of origin influences the molecular and functional properties of mouse induced pluripotent stem cells［J］. Nat Biotechnol, 2010, 28（8）：848-855.

［36］Kim K, Doi A, Wen B, et al. Epigenetic memory in induced pluripotent stem cells［J］. Nature, 2010, 467（7313）：285-290.

［37］Sanchez-Freire V, Lee AS, Hu S, et al. Effect of human donor cell source on differentiation and function of cardia c induced pluripotent stem cells［J］. J Am Coll Cardiol, 2014, 64（5）：436-448.

［38］Takahashi M, Matsuoka Y, Sumide K, et al. CD133 is a positive marker for a distinct class of primitive human cord blood-derived CD34-negative hematopoietic stem cells［J］. Leukemia, 2014, 28（6）：1308-1315.

［39］Rea rdon S, Cyranoski D. Japan stem-cell trial stirs envy［J］. Nature, 2014, 513（7518）：287-288.

（責任編輯 狄艷紅）

Research Progress on Induced Pluripotent Stem Cells in Hematopoietic Diseases

FAN Di SUN Xiao-fang
（The Third Hospital Affiliated to Guangzhou Medical University，Key Laboratory for Major Obstetric Diseases of Guangdong Province，Key Laboratory of Reproduction and Genetics of Guangdong Higher Education Institutes，Guangzhou 510150）

Hematopoietic stem cell transplantation for the treatment of blood system diseases has been had great progress. However，due to the issues of limited donor and matching efficiency is not high，which seriously hindered its wide application in clinic. It is imperative to seek more secure，economical and effective resources of hematopoietic stem cell. Induced pluripotent stem cells can be differentiated into a variety of cells in vitro，especially deeper research on induced differentiation into hematopoietic stem cells in vitro. In this paper，iPS cells directed differentiation to hematopoietic stem cells in vitro and research progress on transplant are reviewed.

hematopoietic stem cell transplantation；induced pluripotent stem cells；hematopoietic differentiation

10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2016.04.004

2015-07-06

國家自然科學基金項目（U1132005），國家自然科學基金項目（31171229）

范荻，女，碩士研究生，研究方向：生殖與遺傳學；E-mail：fandi0725@163.com

孫筱放，女，教授，研究方向：生殖與遺傳學；E-mail：xiaofangsun@gzhmu.edu.cn