成骨细胞在造血微环境中的作用成骨细胞在造血微环境中的作用陈文明岑建农综述陈子兴审校国际输血及血液学杂志2007年第3o【摘要】成骨细胞是造血微环境的重要组成成分。本文就成骨细胞的起源,成骨细胞分泌的造血生长因子,成骨细胞在构建壁龛中的作用,以及成骨细胞与造血系统疾病的关系等方面作一综述。【关键词】成骨细胞;骨髓微环境;造血于细胞;壁龛在成人阶段,造血细胞生长发育主要发生在骨髓腔里。骨髓腔给造血细胞提供了一个生长发育的场所和微环境。由成骨细胞和造血细胞组成的骨髓造血微环境()是一个复杂的网络系统。它包括多种基质细胞()成分及由基质细胞产生的可溶性及膜结合形式的生长因子,黏附分子和细胞外基质成分。造血微环境的基质和造血细胞的关系被形象地比喻为"土壤和种子"的关系。成骨细胞是造血微环境的重要组成部分。研究发现原始的造血于细胞(HSC)与骨内膜非常贴近L1j。最新的研究也发现成骨细胞是造血干细胞壁龛()的重要组成成分]。成骨细胞和HSC这种亲密的空间关系,决定了其在调节HSC的分化和增殖中发挥着重要的作用。

成骨细胞的起源目前存在着两种观点:大多数的研究表明,骨髓内的成骨细胞和其他基质细胞,如脂肪细胞,软骨细胞和成纤维细胞等一样,均来源于CD34一骨髓贴壁细胞一间充质干细胞()_4J。但最近研究发现,将非贴壁的骨髓细胞经过基因标记后,通过小鼠移植模型证实这群非贴壁的骨髓细胞在受体小鼠体内不仅能够产生造血细胞而且也能产生具有功能的成骨细胞和骨细胞。提示成骨细胞和造血细胞可能起源于同一具有多向分化潜能的干细成骨细胞分泌多种造血生长因子研究小鼠原代或转基因的成骨细胞系发现,成骨细胞可以分泌GM—CSF,G—CSF,M—CSF,IL—l和II6。人成骨细胞和骨肉瘤细胞系在mRNA水平上表达G—CSF,GM—CSF,II一la,IL一1,TGF—和TNF作者单位:苏州大学附属第一医院血液科江苏省血液研究通讯作者:**兴,Email:@综述?表达II一3,IL或IL一8。在蛋白水平,人成骨细胞分泌G—CSF,GM—CSF,II一18,IL一6,IIF,TNF一,SDF—la和VEGF[等。除了分泌支持造血的因子,成骨细胞也分泌抑制造血细胞增殖的因子,如巨噬细胞抑制蛋白l(MIP—la)_7]。

MIP—la可以抑制造血干,祖细胞的分化以保证有充足的造血干,祖细胞储备。这与有关成骨细胞使维持HSC在比较原始的状态的实验结果也是一致的【8]。体外实验表明,虽然多种成骨细胞系在体外不能够维持造血干,祖细胞的长期存活_9;但是正常人原代的成骨细胞却能够支持CD34+细胞的扩增并能够维持其在比较原始的状态_l"]。这可能与成骨细胞系分泌过多的TGF—p有关。成骨细胞对造血干,祖细胞调控的前提条件是成骨细胞必须与造血细胞直接接触【l成骨细胞和HSC共培养后,后者也同样能调控成骨细胞,使之分泌许多因子。例如:与HSC共培养后可以促进成骨细胞MIP—的合成;并能够促进成骨细胞II分泌量的增加。表明成骨细胞和HSC之间存在着密切的关系,两者之间可以相互影响。成骨细胞在构建造血干细胞壁龛中的作用壁龛(niche)的假说最早由在l978提出,最初是用来描述干细胞生长的特定生理微环境。壁龛假说被后续的许多体外共培养模型和骨髓移植模型所证实。但这些研究并没有揭示干细胞定居的精确位置和壁龛的结构。接下来在果蝇()的研究中发现并提出了胚系干细胞(s)及其壁龛模型。

再后来又在哺乳动物中发现表皮干细胞()定居在毛囊中,并且发现肠干细胞()定居在小肠黏膜层的隐窝内。这些发现均进一步证实了干细胞壁龛的存在。有关造血干细胞壁龛的研究最早集中在体外构建基质细胞系和HSC的共培养体系,发现基质细胞能够扩增HSC的数量并且能够维持其比较原始的状态【83。随着免疫标记技术的发展,研究人员发现植入小鼠体内的造血细胞在其骨髓腔内并不是随机分布的——相国际输血及血液学杂志2007年第3o对原始的干/祖细胞总是选择性地富集在骨髓内膜区域,而成熟的处于定向分化阶段的干/祖细胞却主要分布在远离骨内膜的骨髓中央区n。一些转基因小鼠模型也证实了成骨细胞在构建造血干细胞壁龛和维持造血中起关键性作用[2,3,133。Zhang等和Calvi自利用不同的转基因老鼠模型证实了成骨细胞的一个亚群——纺锤形的N钙粘连素阳性的成骨细胞(SNo)通过N一钙粘连素/13一连环蛋白粘着复合物和HSCs粘附在一起;并且发现成骨细胞可通过其表面的参与Notch通路对HSC调控;成骨细胞一钙粘连素+CD45一)的数目和HSCs的数目呈高度的正相关性。

因此,目前认为成骨细胞是构建HSC壁龛的主体基质细胞。在壁龛里面,一方面成骨细胞通过一些黏附因子将HSC锚定在壁龛里面,另一方面成骨细胞通过分泌些细胞因子和基质成分来调控HSC。许多分子通路都参与了壁龛的调节,例如Notch/,,Wnt/]3一连环蛋白,Ca/钙离子感受器(CaR),Bmp,骨桥蛋白(,Opn)/整合素1SDF一1/CXCR4等通路。3。/通路原始的HSC表面表达Notch,老鼠的成骨细胞和骨髓的基质细胞表达Notch的配体。激活甲状旁腺受体(PTH/,PPRs)可以增加成骨细胞的数量,进而增强了Notch/性,最终导致HSC数量上的扩增]。成骨细胞通过和表达在HSC表面的结合后可以促进干细胞的自我更新[】。这可能和一系列的干细胞自我更新的基因(Hes1)[】被激活有关。这些发现和以前有关Notch通路可以维持干,祖细胞的原始状态并能扩增干细胞池的报道是一致的。3。2Ang一1/Tie2通路Tie2是酪氨酸激酶的受体,主要表达在内皮细胞和HSC的表面。

Arai等研究发现Tie2+HSC附在骨小梁的表面,这与先前的研究一致[2]。此外,Tie2的配体Ang一1,主要分布在成骨细胞的表面。提示Ang一1/Tie2在壁龛的调节中可能发挥如下作用:通过激活HSC表面1整合素和N钙粘连素的表达,促进HSC黏附到壁龛的细胞外基质成分;抑制HSC的分化,维持干细胞的自我更新;维持HSC静息状态;还能够促进HSC滞留在壁龛里面,研究发现缺乏Tie2的小鼠HSC虽然能够归巢到骨髓,但 不能定居在壁龛里面。 3。3Wnt/f}_连环蛋白通路 HSC 和其他非造血的基质细胞均表达wnt。体外 实验研究发现,加入含有Wnt 蛋白的条件培养基可以 维持HSC 的存活并能在半固体培养基中形成集落。f}_ 连环蛋白是Wnt 信号通路下游分子,转导一连环蛋白 的小鼠HSC 在体外能够长期存活并维持其表型不变; 在体内能扩增干细胞池且具有造血重建的能力。阻 断Wnt 通路可以抑制HSC 的体外增殖和体内造血重 建的能力。曾有报道,连环蛋白在维持果蝇属胚系 干细胞的存活并在决定其非对称性分裂的过程中起至 关重要的作用。最近的研究表明,一连环蛋白在体内并 不是随机分布的,它总是分布在贴近骨内膜的成骨细 胞表面]。

提示一连环蛋白极有可能参与了HSC 锚定 在壁龛和其非对称性的分裂过程。 3。4Ca/CaR 通路 最近发现HSC 表面存在着一种具有七次跨膜结 构的CaRl】。CaR 能够促进HSC 滞留在骨内膜的成 骨细胞表面,其原理可能是通过胶原蛋白I 将HSC 成骨细胞连接在一起。敲除CaR的小鼠可以导致HSC 释放人外周血中。在缺乏CaR 的动物体内,HSC 虽然 可以正常地归巢到骨髓,但是归巢后的HSC 却不能定 居在壁龛里面。 3。5BMP 通路 BMPs 属于转化生长因子TGFt3 超家族,其参与 调节了细胞生长,分化和凋亡等重要的生理过程。在造 血系统发育的早期一胚胎期,BMPs 被证明具有诱导造 血系统生成的作用。体外的实验研究表明BMP4 具有 维持HSC 造血重建的能力l2。动物实验证明,选择性 地阻断BMPs 的受体BMPR1 可以使N 一钙粘连素+ CD45--的成骨细胞数目增多。而HSC 的数量和N 粘连素+CD45一的成骨细胞数目成正相关]。由此可 见,BMPs 能通过其受体BMPR1 控制造血干细胞壁 龛的大小,进而控制HSC 的数量。 3。6Opn/整合素1 通路 opn 是一个多聚的磷酸盐糖蛋白,主要由成骨细 胞分泌。

Opn 在细胞黏附,炎症反应,血管新生及肿瘤 转移中发挥着重要的作用。最近的研究发现,Opn 调节HSC黏附和增殖的过程中亦发挥着重要的作用。 在骨髓里,Opn 主要表达在贴近骨内膜的成骨细胞表 面。Opn 可以与表达在HSC 表面的1 整合素结合,从 而介导HSC 穿透基底膜,并将HSC 锚定在壁龛里面。 体外的实验研究发现:加入外源性的Opn 能显着抑制 HSC 的增殖。动物实验研究发现敲除Opn 基因的小鼠 外周血中HSC 的数量明显高于Opn 的小鼠。这些 研究充分证明,Opn 不仅能够调控HSC 的黏附,而且 能够负性调控HSC 的数量。 3。7SDF 一1/CXCR4 系统 基质细胞衍生因子(SDF 一1)属于细胞趋化因子 家族,在骨髓内主要由临近骨内膜的成骨细胞分泌和 释放。SDF 在骨髓,淋巴结,肺,大脑,心脏,肝脏,胸腺,脾脏和肾脏等组织器官中持续表达。其特异性受体 CXCR4 蛋白偶联七次跨膜受体,可在正常造血干/祖细胞以及包括血液肿瘤在内的多种肿瘤细胞上 表达。SDF 与其受体CXCR4特异性结合,在造血调 控中有重要的作用。研究证实,SDF 一1/CXCR4 系统 不仅在HSC 归巢骨髓的过程中起重要作用L2,而且 参与了维持正常造血细胞的存活和增殖。

总之,壁龛主要由基质细胞以及它们分泌的细胞 外基质构成,它能够给HSC 提供一个适宜的生长环 境。成骨细胞是壁龛的一个重要组成成分,成骨细胞和 HSC 之间存在着精细的调节_ll,这种调节可维持干 细胞静息与其自我更新和分化之间的平衡。 成骨细胞与疾病的关系最近Li 等提出,肿瘤干细胞可能起源于正常 干细胞,而壁龛的改变可能参与了正常干细胞向肿瘤 干细胞转变的过程。正常干细胞定居在壁龛里,壁龛的 存在可以控制干细胞的稳态()增殖。如果 壁龛发生了改变或者干细胞游离出壁龛,干细胞失去 壁龛的调控,稳态增殖被打破;导致干细胞在骨髓里过 度增殖及产生大量原始细胞并释放入外周血中,发展 成为白血病,MDS 或其他恶性血液病。成骨细胞是构 成造血干细胞壁龛主体基质细胞,其数量或其功能的 改变势必会影响HSC 正常的自我更新和分化。然而目 前有关成骨细胞在造血系统疾病发生和发展中作用的 研究较少。 体外实验研究发现,白血病原始细胞系和成骨细 胞共培养后,成骨细胞能够促进原始细胞的增殖和对 抗化疗药物引起的凋亡,这可能和成骨细胞分泌多种 造血生长因子(IL 一1G,GM—CSF,IL