科学家成功在体外扩增成体造血干细胞（附原文）

sunsong7

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科学家成功在体外扩增成体造血干细胞2013-03-25 23:32:54 来源：生物360 作者：koo, R' @0 M7 b% O& _* m3 L

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日前，威尔康乃尔医学院（Weill Cornell Medical College，隶属于康奈尔大学）等机构的研究人员领导解决了一个在体外扩增成体造血干细胞(hematopoietic stem cells， HSCs)用于临床骨髓移植的主要问题。这是恢复病人健康血液系统所需要的大量造血干细胞的关键性一步。相关研究论文在线刊登在近期出版的《Blood》杂志上。

造血干细胞(HSCs)存在于骨髓中，能够产生所有血细胞，其中就包括所有类型的免疫细胞。治疗因血细胞异常而患上血癌的病人就是移除不健康的骨髓，然后将来自供者的健康造血干细胞(HSCs)移植到病人体内。患上其他癌症的病人可能也需要接受骨髓移植，这是因为抗癌疗法会破坏他们的血液系统。骨髓移植也能够被用来治疗其他疾病，如免疫缺陷疾病。

找到骨髓匹配的供者一直就充满挑战，而且利用单次收集过程获得的骨髓细胞数量经常不足以用于移植，因此经常多次进行骨髓收集和采取将造血干细胞从骨髓中驱离的方法。但是收集骨髓的过程是费力和痛苦的，需要在全身麻醉的情形下利用针从供者大骨中提取。

如果在实验室中对健康的HSCs进行增殖将意味着只需从供者体内收集更少量的干细胞。它提示着成体造血干细胞可能会被冻存和存储以备未来增殖和使用，然而在当前，这是不可能的。

研究人员表示，他们克服了成体造血干细胞增殖中的一个主要技术障碍，而且首次使得在工业水平上制造它们成为可能，如果这种技术能够通过未来的测试考验，那么骨髓库就可能与血库并驾齐驱。

鉴于提取供者骨髓时的这些问题，因此人们重点关注转录因子HOXB4，试图利用它促进HSCs自我增殖。研究人员表示，干细胞中存在更多的HOXB4蛋白，那么它们将会更多地进行自我更新，从而扩大它们的群体。

但是之前的所有研究只有有限的适用性。众所周知，HSCs非常抗拒基因转移。迄今为止，基于病毒的载体是实验室中最有效的方式来运送治疗性的基因到HSCs中。在过去，科学家们曾经使用一种病毒作为载体来运送一种治疗性基因到患有严重联合免疫缺陷病(severe combined immunodeficiency disease， SCID)的病人体内来矫正他们的免疫缺陷。然而，4名接受SCID基因疗法的儿童患上治疗相关性的白血病，这是因为不能控制这种病毒自身在何处插入宿主基因组中因而经常插入到所谓的"热点(hot spot)"上从而导致癌基因激活或肿瘤抑制基因失活。此外，其他研究人员也已证实直接将HOXB4蛋白插入到提取出的骨髓干细胞中是可行的：只需加一个小的标记到这个蛋白上从而促进它穿过细胞膜而直接到达细胞核中，但是这个天然的蛋白的半存活期(half-life)非常短，大约只有一小时。因此，这就意味着为了增殖造血干细胞(HSCs)，不得不一直加入HOXB4蛋白。但这种蛋白是非常昂贵的，而且这种过程也是昂贵的，因而也是不现实的。

在这项新的研究中，研究人员采取了一种不同的方法。他们研究了当HSCs离开保护性的干细胞微环境中时，HOXB4蛋白为何不能在HSCs中持续很长的时间。他们发现HOXB4被靶向降解，这样HSCs就能够开始分化，这就是说它们变成不同类型的成熟血细胞。研究人员表示，HOXB4阻止HSCs分化，与此同时允许它们自我更新。

研究人员发现一种被称作CUL4的蛋白的作用就是识别HOXB4，并对它标记上降解标签从而被细胞内的蛋白降解复合体降解。他们发现CUL4通过识别HOXB4蛋白上的一组四个氨基酸残基来识别这种蛋白的。研究人员表示，HOXB4携带着一种供CUL4识别和发挥作用的降解信号。

接着，研究人员构建出这种降解信号被打乱的人工HOXB4蛋白。他们在细菌中大量产生这种人工HOXB4蛋白，然后在实验室中，将它运送到人造血干细胞(HSCs)中。研究人员表示，当把CUL4识别的降解信号遮盖住时，HOXB4的半存活期延长到10个小时。这种经过改造的HOXB4确实发挥它的作用：让HSCs增殖，同时让它的干细胞性质保持完整。因此，接受这种改造的HOXB4的HSCs比接受天然的HOXB4的HSCs表现出更加好的增殖能力。小鼠研究证实移植到它们体内的接受这种改造的HOXB4的HSCs能够在它们的骨髓中保持类似干细胞的性质。

研究人员表示，这种改造的HOXB4蛋白能够潜在地每隔大约10个小时被注射到体内以便让造血干细胞的数量满足于病人移植过程和骨髓库中储存。

了解更多：

New Method Developed to Expand Blood Stem Cells for Bone Marrow Transplant

RESEARCH SHOWS FEWER DONOR CELLS MAY BE NEEDED FOR TRANSPLANTATION AND BONE MARROW BANKING MAY BE POSSIBLE

More than 50,000 stem cell transplants are performed each year worldwide. A research team led by Weill Cornell Medical College investigators may have solved a major issue of expanding adult hematopoietic stem cells (HSCs) outside the human body for clinical use in bone marrow transplantation — a critical step towards producing a large supply of blood stem cells needed to restore a healthy blood system.

Improved ex vivo expansion of adult hematopoietic stem cells by overcoming CUL4-mediated degradation of HOXB4

Blood | March 21, 2013 | doi:10.1182/blood-2012-09-455204

Direct transduction of the homeobox protein HOXB4 promotes the proliferation of hematopoietic stem cells (HSCs) without induction of leukemogenesis, but requires frequent administration to overcome its short protein half-life (~1 hour). We demonstrate here that HOXB4 protein levels are post-translationally regulated by the CUL4 ubiquitin ligase, and define the degradation signal sequence (degron) of HOXB4 required for CUL4-mediated destruction. Additional HOX paralogs share the conserved degron in the homeodomain and are also subjected to CUL4-mediated degradation, indicating that CUL4 likely controls the stability of all HOX proteins. Moreover, we engineered a degradation-resistant HOXB4 that conferred a growth advantage over wild-type HOXB4 in myeloid progenitor cells. Direct transduction of recombinant degradation-resistant HOXB4 protein to human adult HSCs significantly enhanced their maintenance in a more primitive state both in vitro and in transplanted NOD/SCID/IL2R-γnull (NSG) mice compared to transduction with wild-type HOXB4 protein. Our studies demonstrate the feasibility of engineering a stable HOXB4 variant to overcome a major technical hurdle in the ex vivo expansion of adult HSCs and early progenitors for human therapeutic use.

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5楼原文 感谢aidiulgy9517 提供

ciweiyuan

请问造血干细胞(HSCs)通常包括cd34+还是说cd34+就是造血干细胞，谢谢指教！

南宫燚岚

虽然可以实现体外扩增，但从文章中描述来看，只是延长了HOXB4蛋白的半衰期，貌似还是需要每隔10个小时向体内注射这种人工改造的蛋白。这就牵扯出怎样高效率靶向性地将蛋白注射到所需部位。如果能结合nanomedicine中的drug delivery方法也许会更加实用。

HHvivian

回复 ciweiyuan 的帖子, m) n! o. ?- c, \/ P- O% Y# n
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CD34+包括造血干细胞，也含有其他细胞。但CD34+中，造血干细胞的含量挺高的。

aidiulgy9517

回复 sunsong7 的帖子
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: A  N+ q$ ^9 @! {# @* h! Z! z朝着HSCs体外扩增努力的一篇文章。原文在此附上。  v0 c9 w5 R7 l; F. l& t

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山登绝顶我为峰

有全文吗？

w343989328

再在HSC中做个KO出来，艾滋病也有得医了

ag2017

希望早点可以实现. o( i: ]1 G! I+ S+ ?

zyl998

干细胞是不是可以治百病？

naturalkillerce

回复 sunsong7 的帖子
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7 p7 Z; _8 F4 w7 C3 _# `* j3 J! D4 WBlood:开发出新方法在体外增殖人造血干细胞6 z# j1 P8 `, a: Z! C
时间：2013-03-23 17:36:49 来源：生物无忧 作者：davidtower / @- P* y* M' [* f; N% N) m
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    全世界每年进行5万多次干细胞移植.在一项新的研究中,由威尔康乃尔医学院研究人员领导的一个研究小组可能解决了一个在体外扩增成体造血干细胞(hematopoietic stem cells, HSCs)用于临床骨髓移植的主要问题.这是恢复病人健康血液系统所需要的大量造血干细胞的关键性一步.相关研究结果于2013年3月21日在线发表在Blood期刊上,论文标题为"Improved ex vivo expansion of adult hematopoietic stem cells by overcoming CUL4-mediated degradation of HOXB4".
( B1 N5 l% T, U  y9 R5 M. M    造血干细胞(HSCs)存在于骨髓中,能够产生所有血细胞,其中就包括所有类型的免疫细胞.治疗因血细胞异常而患上血癌的病人就是移除不健康的骨髓,然后将来自供者的健康造血干细胞(HSCs)移植到病人体内.患上其他癌症的病人可能也需要接受骨髓移植,这是因为抗癌疗法会破坏他们的血液系统.骨髓移植也能够被用来治疗其他疾病,如免疫缺陷疾病.* k& f* ]" R  A' Q! o7 i
    找到骨髓匹配的供者一直就充满挑战,而且利用单次收集过程获得的骨髓细胞数量经常不足以用于移植,因此经常多次进行骨髓收集和采取将造血干细胞从骨髓中驱离的方法.但是收集骨髓的过程是费力和痛苦的,需要在全身麻醉的情形下利用针从供者大骨中提取.; L6 v& H& n! M- @7 C+ J+ _
    如果在实验室中对健康的HSCs进行增殖将意味着只需从供者体内收集更少量的干细胞.它提示着成体造血干细胞可能会被冻存和存储以备未来增殖和使用,然而在当前,这是不可能的.
* B3 Z, O1 G0 d0 p4 ?& {5 w/ U" @    论文通信作者Pengbo Zhou博士说,"我们的研究证实我们能够克服成体造血干细胞增殖中的一个主要技术障碍,而且我们首次使得在工业水平上制造它们成为可能."Zhou博士认为,如果这种技术能够通过未来的测试考验,那么骨髓库就可能与血库并驾齐驱.
$ A5 S9 c: d0 q$ p- H# q    鉴于提取供者骨髓时的这些问题,因此人们重点关注转录因子HOXB4,试图利用它促进HSCs自我增殖.Zhou博士说,"干细胞中存在更多的HOXB4蛋白,那么它们将会更多地进行自我更新,从而扩大它们的群体."# {, c4 M! k/ V7 R
    但是之前的所有研究只有有限的适用性.众所周知,HSCs非常抗拒基因转移.迄今为止,基于病毒的载体是实验室中最有效的方式来运送治疗性的基因到HSCs中.在过去,科学家们曾经使用一种病毒作为载体来运送一种治疗性基因到患有严重联合免疫缺陷病(severe combined immunodeficiency disease, SCID)的病人体内来矫正他们的免疫缺陷.然而,4名接受SCID基因疗法的儿童患上治疗相关性的白血病,这是因为不能控制这种病毒自身在何处插入宿主基因组中因而经常插入到所谓的"热点(hot spot)"上从而导致癌基因激活或肿瘤抑制基因失活.此外,其他研究人员也已证实直接将HOXB4蛋白插入到提取出的骨髓干细胞中是可行的：只需加一个小的标记到这个蛋白上从而促进它穿过细胞膜而直接到达细胞核中,但是这个天然的蛋白的半存活期(half-life)非常短,大约只有一小时.因此,这就意味着为了增殖造血干细胞(HSCs),不得不一直加入HOXB4蛋白.但这种蛋白是非常昂贵的,而且这种过程也是昂贵的,因而也是不现实的.; K" b1 a; w: G* ~
    在这项新的研究中,Zhou博士和他的研究小组采取了一种不同的方法.他们研究了当HSCs离开保护性的干细胞微环境中时,HOXB4蛋白为何不能在HSCs中持续很长的时间.他们发现HOXB4被靶向降解,这样HSCs就能够开始分化,这就是说它们变成不同类型的成熟血细胞.Zhou博士说,"HOXB4阻止HSCs分化,与此同时允许它们自我更新."  r- M" h9 R9 T- \
    研究人员发现一种被称作CUL4的蛋白的作用就是识别HOXB4,并对它标记上降解标签从而被细胞内的蛋白降解复合体降解.他们发现CUL4通过识别HOXB4蛋白上的一组四个氨基酸残基来识别这种蛋白的.Zhou博士说,"HOXB4携带着一种供CUL4识别和发挥作用的降解信号."" F! M, I1 m# Z+ [7 Z5 g' k
    接着,研究人员构建出这种降解信号被打乱的人工HOXB4蛋白.他们在细菌中大量产生这种人工HOXB4蛋白,然后在实验室中,将它运送到人造血干细胞(HSCs)中.Zhou博士说,"当把CUL4识别的降解信号遮盖住时,HOXB4的半存活期延长到10个小时.这种经过改造的HOXB4确实发挥它的作用：让HSCs增殖,同时让它的干细胞性质保持完整.因此,接受这种改造的HOXB4的HSCs比接受天然的HOXB4的HSCs表现出更加好的增殖能力.小鼠研究证实移植到它们体内的接受这种改造的HOXB4的HSCs能够在它们的骨髓中保持类似干细胞的性质."% _, L: ]* V4 C( O
    Zhou博士说,这种改造的HOXB4蛋白能够潜在地每隔大约10个小时被注射到体内以便让造血干细胞的数量满足于病人移植过程和骨髓库中储存.
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