国家干细胞转化资源库通过体外重塑骨髓微环境实现衰老造血干细胞年轻化
作者:国家干细胞转化资源库
发布日期:2023-08-24
浏览量:230

造血干细胞(Hematopoietic stem cellHSC)具有自我更新和分化为所有下游血细胞的能力,在整个生命周期中不断为机体提供新鲜血液。在衰老过程中,HSC会发生髓系分化偏好、淋系分化减少、造血重建能力受损和克隆性造血等一系列变化,最终可能诱发免疫力低下、贫血或白血病等血液疾病,目前仍然缺乏有效逆转HSC衰老的方法。HSC的稳态维持和衰老与其所定位的骨髓微环境密切相关,其中LepR+骨髓基质细胞(Bone marrow stromal cellBMSC)不仅可以分泌ScfCxcl12等因子维持HSC自我更新,而且富集骨骼干细胞从而调控成体骨骼稳态和损伤修复。骨髓微环境在衰老过程中会发生骨质疏松、脂肪积累、血管退变、神经与血管周细胞减少等现象,然而人们对于衰老骨髓的生物物理特性改变却知之甚少。此外,能否通过改变骨髓微环境逆转HSC衰老仍然存在争议。

202346日,国家干细胞转化资源库支持同济大学生命科学与技术学院、附属东方医院再生医学研究所岳锐课题组在国际著名学术期刊Cell Stem Cell在线发表了题为“Harnessing matrix stiffness to engineer a bone marrow niche for hematopoietic stem cell rejuvenation”的研究论文(图1),并获同期评述(Preview)。该研究发现基质硬度密切调控骨髓造血微环境,并利用柔软的甲基丙烯酰化水凝胶(GelMA)构建了BMSCHSC的体外3D共培养体系。该系统不仅可以促进HSC自我更新和淋系分化,而且能够显著逆转衰老HSC的各项功能指标。此外,研究人员还揭示了骨髓硬化是血液系统衰老的新型标志物。这一重要研究成果为衰老HSC年轻化以及衰老相关疾病治疗提供了新思路和新策略。

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研究人员首先利用流变仪测量了年轻小鼠骨髓块的硬度,发现其相当柔软(约为200Pa)。随后,他们利用荧光报告小鼠(ScfGFP; Cxcl12DsRed)发现BMSC在体外进行2D培养时ScfCxcl12表达显著下调,而将其转移到柔软的5% GelMA水凝胶(硬度与年轻小鼠骨髓相仿)中进行3D培养时,细胞形态与ScfCxcl12表达得到明显恢复。研究者对原代(未经培养)、2D3D培养的BMSC进行了RNA-seqATAC-seq分析,发现3D培养后的BMSC状态介乎于原代和2D培养之间。与原代和3D培养的BMSC相比,2D培养的BMSC细胞周期明显加快,Hippo以及RhoA信号通路相关基因显著上调。ATAC-seq分析表明Yap/Taz下游的转录因子Tead2/Tead4 结合位点在2D培养的BMSC中显著开放。与之相符,2D培养的BMSCYap/Taz主要定位于核内,而原代及3D培养的BMSCsYap/Taz主要定位于核外或呈均匀分布。F-actin染色及G-LISA实验结果显示位于Yap/Taz上游的RhoA/ROCK信号通路在2D培养的BMSCs中激活,而在3D培养后被显著抑制。最后,研究人员通过敲除Yap/Taz或者过表达组成型激活的YapYAP-5SA),证明Yap/Taz能通过感知基质硬度改变从而调节BMSC增殖状态和HSC维持因子表达2)。

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接下来,研究者通过对培养基成分和GelMA硬度的筛选优化,构建了BMSCHSC体外3D共培养系统。他们发现与BMSC在柔软的5% GelMA中进行3D共培养能够促使HSC产生更多的造血干祖细胞。竞争性移植实验也证明柔软的5% GelMA比更硬的10% GelMA培养条件,以及相同数量未经培养的原代HSC具有更强的多谱系重建能力,尤其是淋系重建能力。由于衰老HSC的淋系分化能力明显减弱,因此研究者随即尝试利用该系统逆转HSC衰老。他们首先对原代年轻(2月龄)和中年(12月龄)HSC,以及3D共培养后的年轻和中年HSC进行了RNA-seq分析,发现淋系分化相关基因在3D共培养后(年轻和中年)的HSC中显著富集。与之相反,衰老相关基因则在3D共培养后的中年HSC中发生扭转。研究者通过对HSC线粒体膜电位和Cdc42/Tubulin极性分布分析发现,3D共培养可显著逆转HSC衰老标志物。此外,他们还通过竞争性移植实验证明3D共培养后的年轻和中年HSC的造血重建能力显著高于原代HSC,尤其是其淋系分化能力。更为重要的是,二次移植实验发现3D共培养后的年轻和中年HSC表现出与原代年轻HSC完全相同的多谱系长时程造血重建能力(图3)。研究者还分析了年老(24月龄)HSC的年轻化效果,并利用单细胞RNA测序(scRNA-seq)和移植实验对3D共培养后的淋系祖细胞(CLP)和HSC进行了深入分析,从而证明3D共培养可以促进CLP分化并有效逆转HSC衰老4)。

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以上结果提示骨髓基质硬度可能密切调控HSC衰老。为了验证这一假设,研究者利用原子力显微镜对年轻、中年及年老小鼠长骨骨髓进行了原位测量,发现小鼠骨髓基质硬度随年龄的增长显著增加。他们通过对不同年龄段BMSCscRNA-seq数据进行分析发现,ScfCxcl12表达伴随骨髓硬化显著下调,RhoA信号通路被显著激活。研究者还发现与年轻BMSC相比,年老BMSCYap/Taz核外分布的细胞比例减少,核内分布的细胞比例明显增加。以上数据表明衰老小鼠骨髓硬度增加,BMSCYap/Taz信号通路被激活,这可能与HSC维持因子下降和HSC衰老密切相关5)。

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综上所述,该研究揭示了基质硬度在调控骨髓造血微环境中的关键作用,并应用该原理在体外成功构建了柔软的年轻骨髓微环境用于HSC的维持和年轻化。此外,该研究还发现骨髓硬化是造血系统衰老的重要标志物6。这一研究成果表明通过改变骨髓微环境逆转HSC衰老是一种行之有效的方法,从而为改善HSC质量、逆转机体系统性衰老和治疗重大血液疾病提供了创新策略。

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