2022年11月3日，细胞生态海河实验室程涛教授/程辉教授团队与周波教授、刘兵教授合作在《Cell Stem Cell》期刊在线发表了题为“Uncovering the emergence of HSCs in the human fetal bone marrow by single cell RNA-seq analysis”的研究论文（细胞生态海河实验室为第一完成单位）。该研究在国际上率先阐明了人胚骨髓中第一波造血干细胞（hematopoietic stem cell, HSC）的定植时间点、分子特征及其与微环境细胞的相互作用，揭示了HSC在人胚骨髓中定植的机制，并为未来HSC发育的研究提供宝贵的资源。该研究被选为Cell Stem Cell杂志封面故事。
造血干细胞位于造血级联的顶端，具有长期自我更新和多向分化的潜能，能产生所有血液细胞类型，维系机体功能。虽然HSC的发生过程已在斑马鱼和小鼠等动物模型中被充分揭示，但由于研究技术的缺乏和研究材料的稀缺，目前对人类早期胚胎造血发育的认识仍十分有限。有研究通过异种移植实验发现，HSC最早出现在胚胎卡内基阶段（Carnegie stage, CS）14（妊娠后32天，第5周）的主动脉-性腺-中肾（aorta–gonad–mesonephros, AGM）区域[1]。随后HSC被释放到循环血液中，最早在CS17（妊娠后41天，第7周）迁移到胎肝进行扩增和／或分化[2]。然而HSC何时定植到骨髓和脾脏，目前尚缺乏功能学证据。造血微环境又称作造血干细胞龛（niche），由多种细胞及其产生的细胞外黏附分子和细胞因子构成。Niche细胞通过分泌重要的细胞因子如CXCL12和SCF来调节HSC的功能[3]。然而，在胚胎时期的骨髓中，参与HSC定植和维持的微环境成分及其调控机制仍有待阐明。
该研究首先利用高通量10x Genomics单细胞转录组测序解析了人类胚胎骨髓（10-14周）和脾脏（12-14周）造血干/祖细胞 (HSPC)及其造血微环境群体。在骨髓和脾脏中均检测到了免疫表型和转录组定义的HSC/多潜能祖细胞（MPP）。然而通过免疫缺陷鼠移植实验证实，真正具有长期多系造血重建能力的HSC直到12周才出现在骨髓中，相反，12-14周的脾脏均未检测到功能性的HSC。为了阐明最早定植于胚胎骨髓的HSC分子特征，进一步整合多个发育阶段的HSC/MPP单细胞测序数据。发现与成体骨髓中的HSC/MPP相比，胎髓HSC/MPP高表达cell-ECM互作的基因，并且在早期胚胎骨髓（10-14周）的HSC/MPP中表现更为显著，提示该过程可能参与HSC的骨髓定植。该时期的HSC/MPP细胞周期更活跃，而中期胚胎骨髓（17-22周）的HSC/MPP则处于相对静息状态，并且表达和激活更多与HSC干性维持相关的转录因子，提示早期胚胎骨髓HSC/MPP的功能活性低于中期。
此外，研究发现HSC定植骨髓前后，niche细胞类型以及转录组并无显著差异，提示HSC定植骨髓前其niche已经建立。进一步，利用受配体基因互作分析揭示了aEC （arteriolar endothelial cells）和CAR细胞 （CXCL12-abundant reticular cells）是支持HSC功能的重要niche细胞。这两类细胞高表达PTN、DLK1、IGF1、JAG1和CXCL12等多种造血支持因子。体外共培养实验也证明CAR细胞来源的PTN可以维持HSC/MPP的功能。为系统探究胚胎到成体发育过程中微环境细胞的变化特征，将胚胎骨髓发育早期（10-12周）和已发表的胚胎骨髓发育中期（16-19周）及成体骨髓的niche细胞的单细胞测序数据进行整合分析。发现CAR细胞在发育过程中呈现阶段性的转录组变化，胚胎和成体骨髓来源的CAR细胞分别表达阶段特异性的细胞因子，提示不同发育阶段的HSC可能受到来自niche的不同因子的调控。
最后，为了进一步解析HSC为何优先定植于骨髓而非脾脏，利用受配体基因互作分析揭示胎肝来源的HSC与骨髓和脾脏来源的基质细胞、内皮细胞等微环境群体之间潜在的细胞间相互作用。发现骨髓niche细胞相比于脾脏，表达更多支持HSC迁移、维持和扩增的关键信号，提示人胚胎骨髓为HSC的定植提供了更优良的“土壤”。
总之，该研究在国际上率先证实了HSC最早定植骨髓的时间点，填补了该领域的空白，剖析了人胚胎HSC和骨髓及脾脏微环境细胞的转录组景观图，预测了可能参与HSC骨髓定植的关键因子，为HSC发育的研究提供丰富的参考数据，同时也为临床造血干细胞移植后归巢提供重要启示。
细胞生态海河实验室程涛教授、程辉教授、周波教授和刘兵教授为共同通讯作者。团队成员郑昭烽、贺涵、唐新宇、张晗、苟芳琳、杨华为并列第一作者。细胞生态海河实验室周家喜教授和暨南大学兰雨研究员、陆军军医大学文爱清教授为本研究提供了重要帮助和支持。
参考文献：
1.Ivanovs A, Rybtsov S, Welch L, Anderson RA, Turner ML, Medvinsky A. Highly potent human hematopoietic stem cells first emerge in the intraembryonic aorta-gonad-mesonephros region. J Exp Med. Nov 21 2011;208(12):2417-2427.
2.Ivanovs A, Rybtsov S, Ng ES, Stanley EG, Elefanty AG, Medvinsky A. Human haematopoietic stem cell development: from the embryo to the dish. Development. Jul 1 2017;144(13):2323-2337.
3.Crane GM, Jeffery E, Morrison SJ. Adult haematopoietic stem cell niches. Nat Rev Immunol. Sep 2017;17(9):573-590.
