《自然》：20年終獲里程碑突破！科學家首次造出功能性造血幹細胞樣細胞｜奇點猛科技

今天，有兩篇新的研究同時刊登在了《自然》雜誌上。經過20年的努力，科學家們終於成功地將成熟細胞轉化為了具有功能性的造血幹細胞樣細胞！這意味著幹細胞領域再次取得了不小的突破。

攜帶各種表面標記的造血幹細胞

造血幹細胞是在胚胎髮育期間產生的，正常的造血幹細胞具有長期自我更新的能力和分化成各類成熟血細胞的潛能。自從1998年，人的胚胎幹細胞（ES）被成功分離出來，科學家們就一直在嘗試著用它們去“製造”造血幹細胞，但是一直沒能獲得成功。

因此，這次的成功對於幹細胞領域無疑是一個很大的鼓勵。《自然》雜誌也為這兩個研究撰寫了評論文章，指出這些成果為白血病和其他需要骨髓移植的，但又找不到合適供體的血液疾病患者帶來了希望[1]。兩項研究分別由波士頓兒童醫院幹細胞計劃實驗室的負責人George Daley教授[2]和Weill Cornell醫學院的Shahin Rafii教授[3]領導。

George Daley教授（左）和Shahin Rafii教授（右）

過去，Daley教授的團隊嘗試過直接使用人的誘導性多能幹細胞（hiPSCs）直接分化出造血幹細胞，但是沒有成功。於是這次他們選擇了“繞路”，首先通過化學信號誘導，將人的多能幹細胞（hPSCs，包括ES和hiPSCs）分化成了生血內皮細胞（hemogenic endothelium cells），它具有轉化為造血幹細胞的能力。

在造血細胞因子的“刺激”下，研究人員觀察到了生血內皮細胞向造血幹細胞轉化狀態的細胞（EHT），但是當他們嘗試將EHT移植給小鼠的時候卻失敗了，移植的細胞並不能“造血”。

研究人員誘導出的包含EHT的混合態幹細胞

接下來，他們“複習”了過去的幹細胞分化研究，構建了一個包括26個轉錄因子的轉錄因子庫，將它們通過病毒載體轉入培養到第3天的EHT中，然後移植給有免疫缺陷的小鼠。這經過12周，對小鼠的骨髓和胸腺進行檢查，發現了人的紅細胞、骨髓細胞、B細胞和T細胞。在26個轉錄因子中，研究人員最終確定了7個（ERG、HOXA5、HOXA9、HOXA10、LCOR、RUNX1和SPI1）在4種細胞中都存在，他們認為，這7個轉錄因子是促使生血內皮細胞向有“造血”能力的造血幹細胞樣細胞轉化的關鍵因子。對這7個轉錄因子再次進行實驗，同樣觀察到了4種細胞生成。

不同細胞系中紅細胞（E）、骨髓細胞（M）、B細胞（B）和T細胞（T）組成比例

Daley教授表示，他們所發現的這種細胞與天然的造血幹細胞之間仍然存在一定差異，但是已經是“極其接近”的了[1]。他們還在接下來的試驗中驗證了移植的細胞具有正常的自我更新能力。造血幹細胞的自我更新能力非常重要，是維持機體正常造血需求的必須能力。

相比Daley教授，Rafii教授並沒有選擇人源的細胞進行實驗，而是直接採用了小鼠的細胞。他們從小鼠的血管內提取了內皮細胞，然後將四個轉錄因子（Fosb 、Gfi1、 Runx1和Spi1）轉入細胞中，這是他們在2014年時候發現的，通過這4個轉錄因子可以將血管內皮細胞轉化為造血幹細胞樣細胞[4]。

接下來將細胞轉入模擬血管環境中，這種“血管環境”充滿各種細胞，能夠為內皮細胞重編程和分化提供一些“信號分子”。經過28天的培養，就產生了具有造血幹細胞功能的細胞，而這個過程中，內皮細胞不需要經歷多能幹細胞這一狀態。

血管內皮細胞

Rafii教授在接受《The Scientist》網站的採訪時表示，他們在實驗中模擬的血管環境是細胞轉化成功的關鍵因素，“就像母親為嬰兒提供營養一樣，沒有母親的支持，嬰兒也不能存活，這和我們實驗中的細胞是一樣的。”[5]

這些細胞也同樣擁有良好的自我更新能力和分化為各類血細胞以及具有免疫活性的淋巴細胞（T細胞和B細胞）的能力。體外實驗獲得成功後，研究人員選擇了接受過放射治療，體內大部分血細胞和免疫細胞都被殺死的小鼠，將這些誘導出的細胞移植給它們。在移植後，小鼠重新獲得了造血能力，恢復到了未接受治療前的狀態，在實驗室中生活了1年半多的時間。此外，研究人員還對小鼠進行了長達40周的監測，沒有發現組織和血液中出現惡性病變的情況。

3D主成分分析（PCA）圖，顯示誘導出的造血幹細胞樣細胞（rEC-HSCs）及分化出的血細胞和淋巴細胞的多維度聚集

對於這兩個“殊途同歸”的研究，Rafii教授表示，他“繞過”了多能幹細胞階段，他的方法更像是一個“直達航班”，而Daley教授的方法則需要“中途轉機”。而Daley則認為，他的方法效率更高，在致癌和其他病變上的可能性更小。此外，加州Scripps研究所的研究員Janne Loring表示，多能幹細胞容易獲得，而Rafii教授的方法中需要的血管內皮細胞相對難獲取和存活，這會增加實際應用中的難度[1]。

如果他們的結果能被更多的實驗室所複製，那麼也許還會有其他的完善和進展，將研究推入臨床的可能性也會更大。Daley教授也提出，他們想將來能夠引入基因編輯技術如CRISPR，而不再利用病毒載體，擴大實際使用中幹細胞的能力和安全性，希望有更多的患者能夠受益[6]。

參考資料：

[1] http://www.nature.com/news/lab-grown-blood-stem-cells-produced-at-last-1.22000

[2] R. Sugimura et al.Haematopoietic stem and progenitor cells from human pluripotent stem cells. Nature, doi:10.1038/nature22370, 2017.

[3] R. Lis et al. Conversion of adult endothelium to immunocompetent haematopoietic stem cells.Nature, doi:10.1038/nature22326, 2017.

[4] Sandler, V. M. et al. Reprogramming human endothelial cells to haematopoietic cells requires vascular induction. Nature 511,312–318 (2014).

[5] http://www.the-scientist.com/?articles.view/articleNo/49441/title/Blood-Stem-Cells-Grown-in-the-Lab/

[6] https://www.sciencedaily.com/releases/2017/05/170517132609.htm