幾十年來，科學(xué)家都在追求能夠在體外大量擴增造血干細胞（HSC）的辦法。

造血干細胞移植是血液腫瘤等血液病的終極解決方案，也與近幾年火熱的基因治療相關(guān)。但造血干細胞擴增之難始終局限著臨床應(yīng)用。

如今這個問題有了一個意想不到的解答。美日兩國科學(xué)家團隊聯(lián)手發(fā)現(xiàn)，阻礙造血干細胞擴增的是培養(yǎng)基中存在的血清白蛋白，將其替換為一種高分子材料聚乙烯醇（PVA）即可令造血干細胞持續(xù)自我更新。在最優(yōu)培養(yǎng)條件下，小鼠造血干細胞在28天內(nèi)擴增了近千倍！

該論文發(fā)表在近期的《自然》雜志上[1]，通訊作者是斯坦福大學(xué)遺傳學(xué)教授中內(nèi)啟光（Hiromitsu Nakauchi）和東京大學(xué)干細胞生物學(xué)副教授山崎聰（Satoshi Yamazaki）。

圖源 |

多能自我更新造血干細胞移植后可以再生造血系統(tǒng)，是免疫缺陷、白血病在內(nèi)多種疾病的治療方法，即我們常說的骨髓移植。

但這種療法有個問題。造血干細胞數(shù)量稀少，為了保證穩(wěn)定定植，需要對患者進行放射或化學(xué)療法事先清除原有的造血干細胞，也就是俗稱的“清髓”。這一方面是為了給“新來的”供體細胞提供居住空間，一方面也是為了抑制免疫功能，避免它們誤殺外來者。

但清髓談何容易，免疫抑制、發(fā)育遲緩、不育、繼發(fā)性癌癥等副作用虎視眈眈，更別說有些體質(zhì)較弱或年紀較大的患者根本無法耐受，自然也就沒法做骨髓移植。

圖源 | pixabay

長時間里，科學(xué)家們一直在猜測，是不是一次性移植大量的造血干細胞，采用“人海戰(zhàn)術(shù)”就能夠避免清髓的必要呢？

驗證這個猜想很難，追根究底，問題在于，造血干細胞太難養(yǎng)了。

體外培養(yǎng)造血干細胞，情況與體內(nèi)十分不同。就算用再昂貴的培養(yǎng)基，造血干細胞永遠不肯乖乖自我更新，而是很快就分化成前體細胞、失去干性?？茖W(xué)家們幾十年里一直在研究骨髓微環(huán)境[2]，試圖破解造血干細胞穩(wěn)定擴增的奧秘，但至今還沒人能搞定這個難題[3]。

到底是哪里不行？

研究者們分析了培養(yǎng)過程中培養(yǎng)基成分的變化，發(fā)現(xiàn)大量細胞因子的出現(xiàn)促進了干細胞的分化，而這些細胞因子的組成，看起來非常像是發(fā)生了先天性免疫反應(yīng)。研究者向培養(yǎng)基中添加了地塞米松，細胞因子便減少了。

細胞因子的變化顯示，有炎癥反應(yīng)

經(jīng)過進一步分析，研究者發(fā)現(xiàn)，沒錯，培養(yǎng)基是被“污染”了，壞事兒的居然是培養(yǎng)基中的一種常見成分——人血清白蛋白（HSA）。

難怪以前的研究都不成功！

既然這樣，把HSA替換掉應(yīng)該就可以了！HSA在培養(yǎng)基中主要是起到載體的作用，研究者測試了11種高分子化合物，篩選出唯一一種能夠支持造血干細胞生長和維持干性的物質(zhì)，聚乙烯醇（PVA）。

值得一提的是，PVA培養(yǎng)出的造血干細胞，在移植實驗中甚至還比HSA培養(yǎng)出的活性更強一些。

移植實驗：PVA，強，無敵！

這個PVA是什么神物？其實PVA還蠻常見的，比如醫(yī)療用的水性凝膠、傷口敷料，各種化妝品的成膜劑，工業(yè)建筑材料，可降解生物膜之類。當(dāng)然，最常見的還是下面這個東西——膠水。

圖源 | 我自己

感謝美女贊助的膠水

事實上，在日本媒體的采訪中，山崎副教授確實提到，用便利店買的液體膠做實驗也成功了……

#當(dāng)然我們不建議用便利店售材料養(yǎng)細胞

##山崎老師這種話怎么可以告訴媒體辣

研究者確定了最佳的條件為100 ng/ml血小板生成因子（TPO），10 ng/ml干細胞因子（SCF），87%水解PVA，纖連蛋白培養(yǎng)。在這個條件下，50個小鼠造血干細胞28天后數(shù)量足足增長了8000倍！

這些細胞中造血干細胞頻率大約為1：34.3，也就是差不多35個細胞中有一個是功能性造血干細胞，相當(dāng)于28天培養(yǎng)出了12000個造血干細胞。與既往研究給出的數(shù)據(jù)[4]比較，可知造血干細胞本身的擴增大約在236倍到899倍之間。

在實驗中，培養(yǎng)持續(xù)到57天，細胞仍可保持干細胞活性和相關(guān)表型，也未出現(xiàn)衰老征兆。

厲害，時間真的長

不過和前人的認知一樣[5]，造血干細胞具有明顯的功能異質(zhì)性。研究者觀察到，某些單個造血干細胞只能夠產(chǎn)生不到100個細胞，另外一些則能夠產(chǎn)生50萬以上。

那么“人海戰(zhàn)術(shù)”能幫我們告別清髓嗎？

研究者把擴增后的造血干細胞直接移植給小鼠，包括免疫功能正常的和缺陷的。雖然未經(jīng)清髓處理，但最后小鼠都生長出了來自自體和供體兩者的血液/免疫細胞，證明移植成功了。

除了在骨髓抑制方面的應(yīng)用之外，中內(nèi)教授還提到，如果在培養(yǎng)過程中使用CRISPR等基因編輯技術(shù)修正遺傳缺陷，那么患者用自己的細胞來進行基因治療也是很可行的[6]。

山崎副教授在采訪中說；“大規(guī)模培養(yǎng)能夠消除臍帶血和造血干細胞短缺的問題，也能夠減輕骨髓抑制的負擔(dān)?！比绻渌杉毎材軌蛴猛瑯拥霓k法培養(yǎng)，“它可能會為再生醫(yī)學(xué)和基礎(chǔ)研究做出巨大的貢獻。”

參考資料：

[1]https://www./articles/s41586-019-1244-x

[2] Morrison, S. J. & Scadden, D. T. The bone marrow niche for haematopoietic stem cells. Nature 505, 327–334 (2014).

[3] Kumar, S. & Geiger, H. HSC niche biology and HSC expansion ex vivo. Trends Mol. Med. 23, 799–819 (2017).

[4] Yamamoto, R. et al. Clonal analysis unveils self-renewing lineage-restricted progenitors generated directly from hematopoietic stem cells. Cell 154, 1112–1126 (2013).

[5] Yamamoto, R. et al. Large-scale clonal analysis resolves aging of the mouse hematopoietic stem cell compartment. Cell Stem Cell 22, 600–607.e4 (2018).

[6]http://med./news/all-news/2019/05/radiation-free-stem-cell-transplants-may-be-within-reach.html

[7] https://www./articles/d41586-019-01690-w

[8]https://www./articles/ASM5X6HTMM5XULBJ01H.html

本文作者 | 代絲雨