摘要：由于人类骨髓难以获取，对人类造血过程和相关微环境的了解主要来自小鼠等动物模型研究【1-2】。这些动物模型虽然在一定程度上揭示了造血机制，但人类与动物之间存在着显著的物种差异，这可能限制了对人类造血过程的准确理解。尽管研究人员已经开发出各种体外技术来模拟人类骨髓
撰文 | 格格
由于人类骨髓难以获取，对人类造血过程和相关微环境的了解主要来自小鼠等动物模型研究【1-2】。这些动物模型虽然在一定程度上揭示了造血机制，但人类与动物之间存在着显著的物种差异，这可能限制了对人类造血过程的准确理解。尽管研究人员已经开发出各种体外技术来模拟人类骨髓，但这些模型通常只能部分代表原生骨髓的复杂性【3-5】，例如：目前大部分研究集中在模拟与骨表面相邻的骨膜微环境，而忽略了与血管密切相关的血管微环境。此外，人类骨髓的血管微环境复杂且难以模拟，这限制了体外模型在研究血管微环境对造血调控作用的能力。更重要的是，体外模型作为原生骨髓的部分代表，可能无法完全模拟原生微环境的复杂性，例如细胞和分子成分之间的复杂相互作用。因此，迫切的需要开发一种生物工程方法来模拟人类骨髓的微环境，以便更好地理解人类造血过程和相关的微环境。这将有助于克服现有动物模型和研究方法的局限性，并为研究人类特异性的造血机制提供新的工具。
2024年12月5日，来自美国宾夕法尼亚大学费城分校生物工程系的Dan Dongeun Huh研究团队和费城儿童医院的G. Scott Worthen研究团队合作在Cell Stem Cell杂志上发表题为Self-organization of the hematopoietic vascular niche and emergent innate immunity on a chip的研究论文，该研究开发了一种生物工程方法来模拟人类骨髓的微环境，该模型可用于探究细胞和分子成分之间的复杂生物学相互作用以及评估抗癌药物的骨髓毒性。
首先，研究人员利用微流控技术和生物材料，构建了与人体骨髓相似的血液生成血管微环境。该微环境包含三个并行腔室，中央腔室用于培养富含造血干细胞和血管内皮细胞的明胶水凝胶结构，两侧腔室则用于培养血管内皮细胞。在培养过程中，血管内皮细胞自发地形成了类似骨髓窦状血管的网络结构，并与两侧腔室的血管内皮细胞相连，实现了血管的连通和灌注。
随着时间的推移，中央腔室中的造血干细胞和其衍生细胞逐渐占据血管周围区域，形成了密集的多细胞簇。通过添加促红细胞生成素和促髓细胞生成培养基，研究人员成功诱导了该微环境中多种血细胞的生成，包括红细胞、中性粒细胞、单核细胞、巨噬细胞和嗜酸性粒细胞等。研究人员还发现，与传统的悬浮培养相比，该微环境能够更好地维持多能祖细胞的数量和功能，并产生多系造血集落。
通过单细胞RNA测序 （scRNA-seq） 技术，研究人员分析了该微环境中多种细胞类型的基因表达情况，包括内皮细胞、间充质细胞、骨髓源性间充质干细胞和造血细胞等。结果显示，该微环境包含了多种与造血微环境调控相关的细胞类型，并存在着复杂的细胞间通讯网络，例如KITLG与KIT、NOTCH与NOTCH1等配体-受体相互作用。研究人员还发现，不同供体的造血干细胞在该微环境中的分化轨迹存在一定差异，但总体上保持了高度的一致性。
研究人员构建的血管微环境能够模拟体内血液生成血管微环境中成熟血细胞的动员过程。在感染刺激下，成熟的粒细胞能够穿过血管内皮细胞，进入血管腔，并在血管中流动，与体内粒细胞动员过程相似。该微环境还对CXCR4拮抗剂AMD3100敏感，能够模拟体内造血干细胞动员过程。此外，研究人员利用质子束扫描治疗系统，对血液生成血管微环境进行不同剂量的辐射照射。结果显示，低剂量辐射照射对骨髓造血功能的影响较小，而高剂量辐射则会导致骨髓细胞数量急剧下降，并持续影响长期培养过程中的细胞数量。辐射照射还会导致骨髓微环境中多种细胞类型的基因表达发生改变，包括与炎症和应激反应相关的基因，以及与免疫调节相关的基因，例如TNFSF15和IL-33。
研究人员构建了一个肺-骨髓多器官模型，该模型由一个小气道模型和一个血液生成血管微环境组成，并通过管道连接。在该模型中，感染刺激会导致肺泡巨噬细胞和嗜酸性粒细胞的产生，并促进成熟中性粒细胞的动员和募集。中性粒细胞在感染部位形成多细胞聚集，并释放外泌体捕获细菌，与体内先天免疫应答过程相似。
最后，研究人员开发了一个自动化、大规模生产血液生成血管微环境的平台，并利用该平台进行化疗药物 （顺铂和5-氟尿嘧啶） 对骨髓毒性的筛选。结果显示，顺铂和5-氟尿嘧啶都会导致骨髓细胞数量减少，并影响血管结构和功能。研究人员还发现，药物剂量和给药频率会影响骨髓毒性的程度，长期给药的毒性大于急性给药。该平台为化疗药物的安全性评价和剂量优化提供了新的工具。
图1 微芯片技术助力解析造血微环境与固有免疫
总之，该研究开发了一种基于微流控芯片的模型，模拟了人体骨髓中的造血血管微环境，并展示了其在研究造血和免疫过程、评估抗癌药物毒性以及开发新型治疗方案方面的潜力。
制版人：十一
参考文献
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来源：昕樾聊科学
