用液体胶水成功增殖了造血干细胞---未来白血病治疗的救世主？

作者 关西科健 卓思

近日，由东京大学医学研究所的山崎聪教授领导的研究小组发布，他们首次在体外实现了造血干细胞的长期稳定增殖，攻下了全球科学家都难以突破的关键技术障碍。相关成果被发表在当天的Nature杂志上[1]。更加令人匪夷所思的是，日本科研人员取得重大进展的秘笈是一种我们生活中随处可见的普通物质——办公胶水成分之一的“聚乙烯醇”。

该成果一经发表便引起了学术界的轰动，很多学者和专家都不敢相信，用价值数千美元的培养液都无法培养成功的造血干细胞，竟可以长期在培养皿中增殖？利用这项发现，只需要从捐献者那里得到1个造血干细胞，就可以解救数个血液疾病患者。

造血干细胞有哪些神奇的作用？它的体外增殖为何如此困难？办公胶水如何扮演体外增殖技术的关键角色，实现华丽转身？让我们来具体了解一下。

什么是造血干细胞？

造血干细胞（hemopoietic stem cell）[2]，是骨髓中的干细胞，是所有血细胞和免疫细胞的起源。如下图所示，造血干细胞在增殖后，定向分化为各种血细胞前体细胞，并最终生成具有不同特殊功能不同类型的血细胞成分，它们包括红细胞、白细胞（粒细胞和淋巴细胞）和血小板。这些细胞和血液构成了我们人体的造血系统。其中红细胞将氧气带到组织中；血小板有助于预防出血；粒细胞可抵抗细菌；真菌和其他寄生虫的感染；B淋巴细胞产生抗体，而T淋巴细胞可直接杀死或分离被识别为身体外来物的炎症细胞，包括许多病毒感染的细胞和癌细胞。

此外，多数血细胞的寿命是非常短暂的，需要不断补充，普通人每天需要大约一千亿个新的造血细胞。它们主要存在于骨髓、外周血（血管中血液的学术用语）和脐带血中，并持续产生具有重要任务的各种细胞。造血干细胞对人类健康有极为深远的影响，几个世纪以来一直是科学家和医生们关注的重点。

体外增殖干细胞有什么临床意义？

造血干细胞是在根治白血病或再生不良性贫血等血液疑难病时骨髓移植中所不可缺少的细胞。骨髓移植的供体供应非常重要。然而，捐赠人数少以及骨髓库和脐带血库面临建设迟缓等问题，导致仍有很多血液及造血系统疾病患者，因为得不到足够的供体而失去生命。

我们能够从骨髓或者血中分离得到高纯度的造血干细胞已经有超过20年历史了。但在人体外，稳定的增殖功能性造血干细胞仍然难以实现。科学家们一直希望可以突破体外扩增造血干细胞技术，以挽救更多的包括白血病在内的血液和免疫疾病患者。

一名成年人骨髓量一般为3千克左右，而一名供髓者提供不足10克的骨髓，其中的造血干细胞就能挽救一名白血病患者的生命。比起普通的献血，愿意捐献骨髓的人并不多。抽骨髓并不会伤害我们的身体，但是为了捐献骨髓，需要付出一些辛苦，因此很多人都不会主动成为志愿者。

比如，为了得到足够的干细胞，捐献前需要肌肉注射刺激干细胞生长药物，会引起腰部发胀，有轻微痛感等症状。捐献时需要麻醉。在提取干细胞时为了防止血液凝固，需要向血液里加抗凝血药物，而这种药物的副作用是会中和血液内的钙离子从而引起身体抽搐等等。

但如果不是捐献骨髓而是从外周血中捐献造血干细胞的话，正常干细胞捐献志愿者只需要两天时间，每天花3-4小时以从血液中循环提取干细胞。人体血液中就含有0.01%的造血干细胞，如果能从血液中分离获得少量造血干细胞，并在体外进行增殖，获得的干细胞数量就将足以治疗一个或者多个患者。如果仅仅依靠献少量血就可以挽救处于绝境中的血液疾病患者，相信会有很多志愿者站出来。

怎样用“液体胶水成分”在体外成功培养造血干细胞？

为了使造血干细胞更好地在体外生存，山崎教授带领的研究人员们，首先调整了细胞培养液的各种细胞因子成分。细胞因子，是指存在于细胞中的与细胞增殖分化功能相关的具有生物学活性的小分子蛋白质。研究人员发现使用低浓度的造血干细胞因子（造血干细胞中所含有的可以诱导细胞分裂的几种蛋白质）和高浓度的促血小板生成素（诱导造血干细胞和血小板的蛋白质），可以在培养皿中保持造血干细胞的特性。

接下来，该液体胶水登场了，在这里研究人员主要使用了液体胶水的主要成分PVA（聚乙烯醇）。PVA（聚乙烯醇），是一种有机化合物，属于功能性树脂，在日常生活和医疗场合都有广泛使用。

研究人员发现聚乙烯醇可以替代血清成分和白蛋白。白蛋白，是一种在血清中占60％的蛋白质，是通常添加到细胞培养物中的一种成分。在培养皿中培养细胞一般都需要通过添加10%左右的血清或者纯化的白蛋白来帮助增殖细胞。纯化的白蛋白主要是来源于从牛血清中分离的白蛋白，或者是重组白蛋白（从改变氨基酸序列的酵母或水稻等细胞中人工产生的白蛋白。）这些蛋白质在纯化加工的过程中，会不可避免的残留一些微量的污染物。这些污染物，会导致造血干细胞分化成其他类型的细胞。另外白蛋白的蛋白质氧化反应会诱导细胞衰老，所以研究人员就想出了是否可以利用稳定的化学物质来代替白蛋白，以防止细胞衰老和不可控制的分化。

当研究人员尝试了多种化学物质后，发现PVA的效果非常好，由于PVA在培养液中是不能被氧化的稳定物质，因此它有效地抑制了造血干细胞的衰老，同时长时间保持了造血干细胞的未分化原始状态，并可以维持培养几个月之久。这是世界上第一次能够将造血干细胞在未分化状态下扩增和培养超过一个月。

体外成功培养的造血干细胞有怎样的应用前景？

研究人员为了确认他们的胶水培养系统是否可靠，将体外培养的造血干细胞移植到了免疫缺陷的小鼠身上。他们先从健康小鼠的骨髓里分离得到一个造血干细胞，培养一个月后，细胞扩增了236至899倍，这些扩增后的细胞再用于骨髓移植。在移植小鼠前，需要对受体小鼠进行辐射预处理，以消除其自身的白血病细胞，这样可以提高移植的成功率。结果如下图显示，每只小鼠都获得了健康的造血干细胞并产生出健康的免疫细胞等，也就是说这些体外培养的造血干细胞恢复了小鼠被破坏的免疫系统和造血系统。

根据许多研究人员的报告，在进行骨髓移植前，如果不利用辐射或者药物化疗对受体的骨髓进行清除的话，移植后的造血干细胞很难存活。最近几年，一些研究小组报告称，如果移植大量的造血干细胞，则不需要破坏受体的骨髓，就可以成功植入造血干细胞。然而，从捐赠者那里得到大量的造血干细胞，实际上是根本不可能的。

山崎教授的研究小组从小鼠中分离出50个造血干细胞，并用胶水PVA培养系统进行扩增，再将这些细胞移植到免疫系统不全的小鼠中（缺少T和B淋巴细胞），，结果发现这些移植后的细胞成功地恢复了小鼠的免疫系统。

可以说，这项研究用常用的廉价化学品，解决了困扰科学家们多年来的难题。将以往成本极为高昂的培养液，用低成本材料取代。通过对造血干细胞进行长时间的体外扩增培养，用很少的造血干细胞就可以在体外获得足量的造血干细胞，并用于造血干细胞移植。

这一干细胞研究领域的杰出的成果，必将为包括白血病在内的血液病患者的治疗提供新的道路。目前，小鼠身上的试验已经取得多次成功，未来还将进行多项临床实验，我们期待这项成果尽快造福人类。

参考文献

1. Adam C. Wilkinson, Reiko Ishida, Misako Kikuchi, Kazuhiro Sudo, Maiko Morita, Ralph Valentine Crisostomo, Ryo Yamamoto, Kyle M. Loh, Yukio Nakamura, Motoo Watanabe, Hiromitsu Nakauchi, Satoshi Yamazaki. Long-term ex vivo hematopoietic stem cell expansion allows nonconditioned transplantation. Nature (2019)

2. Connie J. Eave. Hematopoietic stem cells: concepts, definitions, and the new reality. Blood 2015 125:2605-2613; doi: https://doi.org/10.1182/blood-2014-12-570200