骨髓移植/造血干細(xì)胞移植（HSCT）是治療多種血液腫瘤、罕見(jiàn)病的有效手段。然而，HSCT的干細(xì)胞來(lái)源主要是配型成功的健康捐贈(zèng)者或患者自身動(dòng)員的CD34+血液干細(xì)胞，來(lái)源限制條件較多，加之成本高昂，限制了HSCT在患者中的廣泛應(yīng)用。長(zhǎng)期以來(lái)，誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（包括天然的人胚胎干細(xì)胞和誘導(dǎo)型多能干細(xì)胞等）分化，制備再生型的造血干細(xì)胞，是徹底解決骨髓移植種子細(xì)胞來(lái)源問(wèn)題的理想手段。然而，如何誘導(dǎo)出真正的造血干細(xì)胞，即具備移植后能夠在宿主體內(nèi)長(zhǎng)期穩(wěn)定嵌合、與宿主生理和免疫系統(tǒng)兼容、產(chǎn)生功能性的多譜系血液細(xì)胞，一直是實(shí)驗(yàn)血液學(xué)和再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)。事實(shí)上，迄今尚沒(méi)有一種通用、高效的方法，能夠誘導(dǎo)PSC實(shí)現(xiàn)在野生型動(dòng)物體內(nèi)長(zhǎng)期重建和多譜系造血。

　　2023年2月16日，來(lái)自中國(guó)科學(xué)院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院的王金勇研究團(tuán)隊(duì)和廣州醫(yī)科大學(xué)的張夢(mèng)云研究團(tuán)隊(duì)合作，在Stem Cell Reports上發(fā)表了題為Prolonged generation of multi-lineage blood cells in wild type animals from pluripotent stem cells的研究論文，首次報(bào)道了通過(guò)干細(xì)胞基因編輯手段操縱Runx1、Hoxa9和Hoxa10基因組合表達(dá)，高效誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（PSC）定向分化再生造血種子細(xì)胞（induced hematopoietic progenitor cells, iHPCs）。iHPCs移植后能在野生型（先天和獲得性免疫系統(tǒng)正常）受體鼠中穩(wěn)定嵌合長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月以上時(shí)間，輸出完整的髓系細(xì)胞、B細(xì)胞和T細(xì)胞等細(xì)胞譜系，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期、穩(wěn)定多譜系造血重建，且未發(fā)現(xiàn)致瘤現(xiàn)象。

　　在該研究中，作者首先通過(guò)同源重組的方法構(gòu)建了可誘導(dǎo)表達(dá)轉(zhuǎn)錄因子Runx1、Hoxa9和Hoxa10組合的ESC細(xì)胞系（iR1A9A10-ESC，C57BL/6 background，CD45.2 strain），并基于“體外再生種子細(xì)胞，體內(nèi)發(fā)育成熟”的兩步法策略，將體外分化產(chǎn)生的iHPCs移植到經(jīng)過(guò)預(yù)處理的野生型小鼠（C57BL/6 background，CD45.1 strain）體內(nèi)。結(jié)果顯示，移植的iHPCs在受體鼠的外周血、骨髓、脾臟等多個(gè)組織器官中輸出完整的單核髓系、B細(xì)胞譜系和T細(xì)胞譜系等細(xì)胞類型，并可維持6個(gè)月以上時(shí)間。多次移植試驗(yàn)結(jié)果表明，iHPCs移植后的動(dòng)物沒(méi)有出現(xiàn)腫瘤現(xiàn)象。單細(xì)胞測(cè)序聚類結(jié)果進(jìn)一步顯示移植后受體鼠的外周血中再生的髓系細(xì)胞、B細(xì)胞和T細(xì)胞與天然發(fā)育來(lái)源的細(xì)胞群具有相似的轉(zhuǎn)錄譜特征。

　　為了解析iHPCs長(zhǎng)期植入的細(xì)胞學(xué)機(jī)制，作者進(jìn)一步在受體鼠的骨髓中檢測(cè)到干細(xì)胞來(lái)源的免疫表型為L(zhǎng)in-CD127-c-kit+Sca1-的髓系祖細(xì)胞和Lin-Sca1lowc-kitlowCD127+CD135-淋系祖細(xì)胞。為了評(píng)估這些再生的祖細(xì)胞能否重構(gòu)小鼠的造血系統(tǒng)，作者分離了一次移植受體鼠（移植后6周）的骨髓細(xì)胞進(jìn)行了二次移植實(shí)驗(yàn)。二次移植12周后，仍然可以在受體鼠的外周血、骨髓和淋巴結(jié)中檢測(cè)到干細(xì)胞分化來(lái)源的成熟髓系細(xì)胞、B細(xì)胞和T細(xì)胞。隨后，作者分選了各組織中再生的各類血液譜系細(xì)胞，并提取其基因組進(jìn)行了PCR實(shí)驗(yàn)，從基因組水平證實(shí)了這些細(xì)胞是起源于基因編輯的干細(xì)胞。

　　綜上所述，該研究建立了一個(gè)利用基因編輯手段通過(guò)特定轉(zhuǎn)錄因子（Runx1、Hoxa9和Hoxa10）組合誘導(dǎo)多能干細(xì)胞定向分化再生造血種子的方法。分化再生的種子細(xì)胞具有HSC的部分特征，即具有可移植、顯著的多譜系嵌合率、長(zhǎng)期穩(wěn)定的成熟血液細(xì)胞輸出、二次移植潛能等。該研究利用經(jīng)過(guò)基因編輯的干細(xì)胞作為種子，誘導(dǎo)后移植在野生型動(dòng)物體內(nèi)重建多個(gè)血液譜系，并初步在活體動(dòng)物證明這一策略的安全性。該體系穩(wěn)定易重復(fù)，便于跨實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)測(cè)試和從事造血分化基礎(chǔ)研究、為造血干細(xì)胞再生轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)提供了重要的理論和技術(shù)支持。

　　該研究是繼上述合作團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄因子Hoxb5誘導(dǎo)B細(xì)胞轉(zhuǎn)分化再生T淋巴細(xì)胞（Nature Immunology，2018）、轉(zhuǎn)錄因子Runx1和Hoxa9組合誘導(dǎo)多能干細(xì)胞定向分化再生T淋巴細(xì)胞（Cell Research，2020）、轉(zhuǎn)錄因子Runx1、Hoxa9和Lhx2組合誘導(dǎo)多能干細(xì)胞定向分化再生B淋巴細(xì)胞（Cellular & Molecular Immunology，2021）等研究基礎(chǔ)上的新的發(fā)現(xiàn)。

　　中國(guó)科學(xué)院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院博士生彭歡和中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所博士生林云輕為該論文的共同第一作者。張夢(mèng)云教授和王金勇研究員為該論文的共同通訊作者。研究得到科技部、中科院、國(guó)家自然科學(xué)基金委等項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)支持。

論文鏈接

Runx1、Hoxa9和Hoxa10組合誘導(dǎo)多能干細(xì)胞定向分化長(zhǎng)期再生多譜系血液細(xì)胞