【学术前沿】Cell Regen l 人造血干细胞的长期扩增体系

Research Highlight | Published: 19 April 2023

造血干细胞（hematopoietic stem cell, HSC）是一群具有自我更新和多向分化潜能的干细胞，对血液稳态的维持具有重要作用。临床上，造血干细胞移植（hematopoietic stem cell transplantation, HSCT）是治疗血液系统恶性疾病以及其他恶性肿瘤的主要方法，移植后的HSC可以在受者体内重建功能性造血系统，为生命垂危的患者提供生机。由于临床上为受者找寻匹配供体仍然有很大困难，HSCT受者通常依赖脐带血。然而，脐带血通常缺乏足够的HSC，不能及时重建成人患者功能性造血系统，严重制约了HSC的应用。

近日，中国科学院动物研究所刘峰课题组在Cell Regeneration上发表了题为“Long-term expansion of human hematopoietic stem cells”的研究亮点文章，主要讨论了此前来自东京大学的Satoshi Yamazaki团队和斯坦福大学的Hiromitsu Nakauchi团队在Nature发表的一项合作研究（Sakurai et al. 2023）。该研究中，研究团队通过一系列优化实验，成功筛选到了适合人类造血干细胞体外扩增的培养条件，构建了化学成分明确的无细胞因子培养体系。

基于该团队之前的研究工作（Wilkinson et al. 2019），他们构建了适宜小鼠HSCs的体外扩增培养体系，具体方案是在培养基中添加重组干细胞因子（stem cell factor, SCF）、促血小板生成素（Thrombopoietin, TPO）、聚乙烯醇（Polyvinyl alcohol, PVA）并且表面涂层使用纤连蛋白。这种培养体系可以大幅促进小鼠造血干细胞的扩增，然而该体系对人类造血干细胞的扩增效果非常有限。

小鼠造血干细胞体外长期培养条件

为了找到适合人类造血干细胞扩增的培养体系，研究团队首先利用化学试剂PI3K激活剂（740Y-P）和THPO受体激动剂（丁酰胺，butyzamide）代替外源性细胞因子，发现双激动剂的加入可以促进人HSPCs的短暂扩增。随后，研究团队引入已经报道的HSPCs扩增化合物UM171，发现740Y-P、butyzamide和UM171（3a）的加入可以促进人HSPCs的长期扩增（30天），然而其扩增倍数有限（14倍）。为了进一步解决这个问题，研究团队筛选了10种聚合物，从中找到了Soluplus（聚乙烯己内酰胺-聚醋酸乙烯酯-聚乙二醇接枝共聚物，PCL-PVAc-PEG），并结合异种移植实验，证实了以PCL-PVAc-PEG为基础、添加3a的培养体系，可以促进脐带血HSCs的长期稳定扩增。

人造血干细胞体外长期培养条件

为了进一步解析人HSPCs体外培养过程中的细胞异质性，研究团队对3种不同培养条件下扩增的HSPCs进行了单细胞转录组测序（single-cell RNA sequencing, scRNA-seq）。分析结果显示，以PCL-PVAc-PEG为基础、添加3a的培养体系能够产生更多的HSPC-HLF细胞，提示该培养体系更适合长期造血干细胞（long-term HSC, LT-HSC）的选择性扩增。随后，研究团队通过分选脐带血中单个HSPC进行扩增培养，并结合移植实验，发现以PCL-PVAc-PEG为基础、添加3a的培养体系能够支持人HSCs的克隆扩增。

综上所述，研究团队构建了一个全新的、不依赖细胞因子的培养体系，利用3个化学小分子组合（740Y-P+丁酰胺+UM171）和聚合物（PCL-PVAc-PEG），促进和维持了人HSCs的长期稳定扩增。这一发现将有助于增加临床上人HSCs的来源，为解决HSCs短缺问题提供理论指导。

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原标题：《【学术前沿】Cell Regen l 人造血干细胞的长期扩增体系》

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