誰在指引干細胞的歸巢路

時間:2021-10-20 16:36 作者:美亞生物 點擊:

在20世紀60年代早期將造血干細胞(HSC)確定為“集落形成單位”(CFU),并將其定義為骨髓移植到受照動物體內后,能夠在脾臟中產生造血結節的細胞。HSC是位于骨髓( B M)中的自我更新細胞,負責通過持續補充血液中的所有細胞成分(如白細胞、紅細胞、淋巴細胞和血小板)來維持體內平衡。盡管造血干細胞具有如此重要的功能,但它們本身是相對罕見的細胞。在人類中,HSC最常見的識別方式是細胞表面存在CD34。

從骨組織動員HSC的機制

有證據表明,可溶性因子從損傷部位釋放,隨后產生濃度梯度,促進HSC從BM中排出。一旦進入外周循環,隨后的HSC歸巢到遠程損傷部位將得到促進。促進HSC向損傷部位募集的最重要候選物是G蛋白偶聯趨化因子受體CXCR4及其伴隨配體CXCL12(SDF-1),CXCL12由許多基質細胞表達,這些基質細胞排列在HSC所在的BM血竇中。這種高濃度的CXCL12對于HSC在BM內的滯留至關重要,因為BM CXCL12表達的減少導致HSC進入循環。然而,循環CXCL12水平的增加,如組織損傷期間所見,促進HSC沿著CXCL12濃度梯度從BM中遷移。例如,缺血誘導的急性腎功能衰竭后,小鼠血漿中CXCL12水平顯著升高,這促進了CD34+HSC的動員和向受損器官的募集。這種活性并不局限于腎臟事件,因為炎癥性肝病、肺纖維化和多發性骨髓瘤患者血漿CXCL12水平升高。最近的研究表明,可溶性血管內皮生長因子-165(VEGF165)和基質金屬蛋白酶(MMPs),如MMP9,當從損傷部位釋放到外周循環時,也可誘導HSC從BM動員。

許多粘附分子對與HSC在BM中的錨定有關,主要包括VLA-4/VCAM-1相互作用,還包括CD44-透明質酸(HA)相互作用和P-和E-選擇素。為了促進HSC的動員,必須破壞這些粘合劑。損傷期間釋放的中性粒細胞蛋白酶已被證明能切割VCAM-1,表明這些蛋白酶可能能夠促進遠端損傷期間HSC的BM排出。具體而言,VCAM-1的中性粒細胞裂解是由中性粒細胞彈性蛋白酶和組織蛋白酶G介導的,并導致體外BM基質單層釋放HSC。同時中性粒細胞彈性蛋白酶也能夠激活MMP-9,從而潛在地激發其在BM室中的活性。服用VLA-4的小分子抑制劑BIO5192可促進HSC從治療小鼠的BM中排出。

HSC歸巢至骨髓和髓外損傷部位的機制

HSC表達大量類似的選擇素和整合素粘附分子,包括CD62L(L-選擇素),實驗室獲得的數據表明,HSC利用類似的粘附機制來定位髓外損傷部位。這種整合素在大多數造血干細胞上表達,其阻滯劑或其受體VCAM-1的阻滯劑可顯著減少移植造血祖細胞的BM歸巢。系統給藥的HSC細胞系可以作為IR損傷小鼠肝臟的家系,并粘附在竇狀毛細血管中,這表明竇狀血管是HSC進入肝臟的初始點。有趣的是,我們觀察到了非常相似的反應,無論是胚胎HSC還是成年HSC。此外,通過α整合素亞單位的功能阻斷預處理HSC(使用抗CD49d抗體)或通過向小鼠施用抗VCAM-1阻斷抗體,可以防止HSC歸巢(如圖1a-h)。

圖:小鼠IR損傷的肝竇微循環在體內星狀細胞系粘附增加,似乎特異性依賴于α4β1-VCAM-1通路。顯示了對照組和bIR損傷動物的星狀細胞粘附到肝微血管系統的代表性圖像。c.與對照組(實線)相比,IR損傷動物(虛線)中造血干細胞與正弦毛細血管的粘附程度顯著增加。d.抗α4β1抗體顯著降低了體內星狀細胞的粘附(實線:同型對照抗體處理;虛線:抗α4β1抗體處理的細胞)。

e.抗VCAM-1抗體處理也降低了體內星狀細胞粘附(實線:用IgG對照抗體預處理的動物;虛線:用抗VCAM-1抗體處理的動物)。f.抗CD18、g.抗CD44或h.抗CD31抗體(實線:同型對照抗體預處理細胞;虛線:抗CD18或CD44抗體預處理細胞)不影響星狀細胞粘附。結果以掃描電鏡的平均值表示(每組n≥5)。*p<0.05,**p<0.01,***p<0.001.紅外線紅外缺血-再灌注。

進一步研究了αβ整合素是否是HSC普遍用于所有損傷部位的粘附分子。然而,實驗室正在進行的研究表明,將HSC招募到IR損傷的小鼠腸道并不依賴于αβ整合素,而是需要β整合素亞單位CD18。有趣的是,CD18和更大程度上的CD49d在促進IR損傷的cremaster肌微循環內的HSC粘附中發揮作用(圖2a-d)。

圖:小鼠IR損傷腸黏膜絨毛微循環內星狀細胞粘附增加,似乎特異性依賴于CD18/β1整合素。在pcv中也增加,可以通過CD18/β1整合素或CD49d/β2整合素介導。IR損傷后星狀細胞粘附于小腸絨毛微血管(a)和cremasterPCVs(b)的代表性圖像顯示。c.造血干細胞粘附絨毛微血管顯著增加受傷動物90min灌注后可以顯著減少使用抗CD18抗體,d.粘附也顯著增加90min再灌注后可以顯著減少使用抗cd49d或抗cd49d抗體。

目前改善歸巢的策略旨在增強干細胞與受損組織微循環之間的粘附蛋白和細胞因子相互作用。例如通過注射或局部應用細胞因子或趨化因子。這兩種方法都能改善損傷部位循環干細胞的保留和經毛細血管遷移。事實上,局部給予成熟的炎性細胞因子與增強外源性給予的HSC在小鼠體內腸道絨毛和cremaster微循環中的募集有關。我們在活體內證明,IL1β可以顯著增強HSC與cremaster術后毛細血管和腸絨毛微循環的滾動和牢固粘附。KC(人類IL-8的小鼠同系物)和TNF-α也可誘發類似的事件,但在cremaster肌微循環中不如IL-1β強烈(圖2e-g)。

圖:e.在小腸絨毛微血管內,局部IL-1β(200ng/ml)也可顯著增強造血干細胞與絨毛微血管的粘附。f.鉤軸內IL-1β(12.5ng/200μl4小時)和TNFα(500ng/ml)也顯著增強了造血干細胞與pcvs的粘附;局部使用KC(0.5ng/ml1小時)后,粘附也增強。結果以掃描電鏡的平均值表示(每組n≥5)。*p<0.05,**p<0.01,***p<0.001.IR,缺血-再灌注;PCV,毛細血管后小靜脈。

受傷部位的微循環暴露于炎癥組織釋放的多種可溶性因子中。其中包括許多公認的炎性細胞因子和趨化因子。用這種炎癥組織環境的勻漿對BM來源的干細胞進行體外預處理可能會預激活它們,從而在體內增強它們的歸巢。

結語

隨著BM來源的HSC在再生醫療的臨床應用上展示出越來越大的潛力,觀察它們在不同組織類型和各種損傷中的作用以及對這一歸巢過程更徹底的了解將使我們能夠操縱這些途徑,也將給HSC的再生醫療帶來更美好的明天。 (責任編輯:美亞生物)
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