中國科學家首次揭秘新生造血幹細胞在體歸巢全過程

新聞 11-21

中國科學院上海營養與健康研究院研究員潘巍峻帶領其研究團隊，在國際上首次高清晰解析了體內造血幹細胞歸巢的完整動態過程，該研究成果於北京時間11月20日在國際學術期刊Nature（《自然》）在線發表。

潘巍峻等人在觀察斑馬魚。中科院上海營養與健康研究院、中科院科技攝影聯盟供圖

造血幹細胞可以通過增殖分化產生紅細胞、白細胞、血小板等人體內所有類型的血液細胞，而造血幹細胞能夠自我更新和向下游分化從而建立整個血液系統的關鍵前提是其向造血組織的「歸巢」。「歸巢」通常指循環系統中的特定細胞類群定向遷移至生物體組織或器官微環境，維持或重塑其細胞命運的生命過程。

造血幹細胞歸巢的概念由來已久，基於其歸巢能力的造血幹細胞移植已在臨床被廣泛應用於血液、免疫和腫瘤等重大疾病的治療。但由於該生命過程的時空跨度非常大，觀察手段十分有限。雖然科研人員在過去幾十年的研究過程中，對歸巢的細胞和分子基礎進行了一定的解析，但歸巢在體內生理情況下究竟如何發生，歸巢的微環境究竟是何種結構，微環境細胞又是如何幫助造血幹細胞歸巢的等一系列關鍵科學原理依然知之甚少，嚴重製約了臨床造血幹細胞移植等相關技術的發展。

為攻克這一科技難題，潘巍峻帶領其團隊歷時6年，在優化活體成像技術的基礎上，進一步整合活體免疫熒游標記、遺傳調控和圖形重構計算等方法，首創了一套全新的可以完整解析體內造血幹細胞歸巢全過程的研究體系。研究人員在國際上率先採用可變色熒光蛋白建立了造血幹細胞標記系統，在高解析度共聚焦熒光顯微鏡下，建立了造血幹細胞長時程活體觀察追蹤方案，從宏觀到微觀，生動地呈現了造血幹細胞從誕生到歸巢的全過程。經過對大規模長時程活體成像的統計分析，發現了造血幹細胞歸巢的時空規律及「熱點區域」，並結合精細成像和三維重構技術，首次揭示了體內造血幹細胞歸巢微環境的獨特微血管結構。

在研究過程中，他們還意外地發現了一種全新的微環境細胞，並將其命名為「先導細胞」。這類細胞是一種之前未被定義過的巨噬細胞新亞型，存在於歸巢「熱點區域」附近，它們可以識別進入造血組織的造血幹細胞並將其引入特定的血管結構中，從而實現造血幹細胞的歸巢。

這是由中國科學家獨立完成的原創性科學發現，研究過程中突破了現有理論及研究體系，以獨特的視角呈現了造血幹細胞在生物體內歸巢的全過程。開啟了國際上造血幹細胞領域的在體長時程、高分辨研究新時代。該工作不僅回答了「體內的造血幹細胞歸巢如何發生」這一世界造血幹細胞研究領域的重大科學問題，而且發現了對造血幹細胞歸巢起關鍵引導作用的「先導細胞」，為提高造血幹細胞移植效率的轉化研究提出了新理論，開創了新思路。

上述研究成果由潘巍峻帶領研究生李丹彤、薛文志和李美等，與中科院生物化學與細胞生物學研究所研究員李林、陳劍峰、周波，中國科學技術大學教授姚雪彪，耶魯大學醫學院教授吳殿青等協同攻關下共同完成，並得到西南大學教授羅凌飛和香港科技大學教授溫子龍的幫助。

此項成果得到中科院「細胞命運可塑性的分子基礎與調控」戰略先導計劃和裝備研製計劃、科技部國家重點研發計劃專項、國家自然科學基金面上項目、上海市科委基礎重點項目等的支持。