全 文 ：·综述与专论· 2016, 32(4):34-38
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN
血液病是原发于造血系统的疾病，或影响造血
系统伴发血液异常改变，其常表现为贫血、出血和
发热等症状。我国儿童恶性癌症的发病率呈上升趋
势，截至 2014 年的数据显示，儿童恶性肿瘤中，白
血病的发病率居第一位，约占 1/3。对于恶性血液系
统疾病而言，临床上的化疗效果往往不甚理想。自
从 20 世纪中期，Thomas 教授首先开展了造血干细
胞移植以来，造血干细胞移植广泛地被应用于血液
病的临床治疗中，已经成为治疗急性白血病、恶性
淋巴瘤、重型再障等病的有效手段之一。目前造血
干细胞的主要来源是脐带血、骨髓和外周血［1］。造
血干细胞移植主要分为自体和异体造血干细胞移植
两种。尽管自体移植具有无移植排斥、移植物抗宿
主病等并发症的优点，但自体 HSC 中残留存在的肿
瘤细胞可能导致移植后疾病复发 ；相反异体移植虽
然远期疗效优于自体移植且复发率低，但是配型效
率极低，来源有限，从而限制了异基因 HSC 移植的
临床应用。
因此，目前迫切寻求更为安全、成本较低、来
源稳定简单的造血干细胞资源。而对胚胎干细胞和
收稿日期 ：2015-07-06
基金项目 ：国家自然科学基金项目（U1132005），国家自然科学基金项目（31171229）
作者简介 ：范荻，女，硕士研究生，研究方向 ：生殖与遗传学 ；E-mail ：fandi0725@163.com
通讯作者 ：孙筱放，女，教授，研究方向 ：生殖与遗传学 ；E-mail ：xiaofangsun@gzhmu.edu.cn
诱导多能干细胞在血液系统疾病中的研究进展
范荻  孙筱放
（广州医科大学附属第三医院 广东省产科重大疾病重点实验室 广东普通高校生殖与遗传重点实验室，广州 510150）
摘 要 ： 造血干细胞移植（hemopoietic stem cell transplantation，HSCT）用于血液系统疾病的治疗已取得迅猛发展。但由于
供体有限及配型效率不高等问题，严重阻碍了其在临床上的广泛应用。因此，人们迫切地寻求更为安全、经济和有效的造血干细
胞的资源。诱导多能干细胞（induced pluripotent stem cells，iPS）在体外可被诱导分化为多种细胞，其中对体外诱导分化为造血干
细胞的研究尤为深入。该文就 iPS 细胞在体外定向分化为造血干细胞及移植研究的最新进展作一综述。
关键词 ： 造血干细胞移植 ；诱导多能干细胞 ；造血分化
DOI ：10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2016.04.004
Research Progress on Induced Pluripotent Stem Cells in Hematopoietic
Diseases
FAN Di SUN Xiao-fang
（The Third Hospital Affiliated to Guangzhou Medical University，Key Laboratory for Major Obstetric Diseases of Guangdong Province，Key
Laboratory of Reproduction and Genetics of Guangdong Higher Education Institutes，Guangzhou 510150）
Abstract: Hematopoietic stem cell transplantation for the treatment of blood system diseases has been had great progress. However，due
to the issues of limited donor and matching efficiency is not high，which seriously hindered its wide application in clinic. It is imperative to seek
more secure，economical and effective resources of hematopoietic stem cell. Induced pluripotent stem cells can be differentiated into a variety
of cells in vitro，especially deeper research on induced differentiation into hematopoietic stem cells in vitro. In this paper，iPS cells directed
differentiation to hematopoietic stem cells in vitro and research progress on transplant are reviewed.
Key words: hematopoietic stem cell transplantation ；induced pluripotent stem cells ；hematopoietic differentiation
2016,32(4) 35范荻等：诱导多能干细胞在血液系统疾病中的研究进展
iPS 细胞定向分化为造血干细胞技术的研究有望解决
这一难题。研究表明，小鼠、猴子和人的 ESCs 在体
外都可以被诱导造血分化［2-4］。由于胚胎干细胞及
其衍生物存在取材困难、免疫排斥、伦理道德等问题，
而 iPS 细胞不存在上述问题，因此其成为很好的研
究对象并有望应用于临床。iPS 细胞被称为多能性细
胞［5］，在体外能被诱导分化成多种来自各个胚层的
细胞，如造血细胞，神经前体细胞，心肌细胞和生
殖细胞衍生的细胞［6，7］等。iPS 细胞这一特性将可
能为揭示造血干细胞的发生过程提供一个较好的研
究平台，同时可帮助深入了解各类血液病的发病机
制并为其治疗带来曙光。
1 iPS 体外分化为造血干细胞研究进展
目前，科学家们研究胚胎干细胞体外定向分化
成造血干 / 祖细胞已取得了骄人的成绩。在 1985 年，
Doetshman 首先报道了小鼠胚胎干细胞可以在体外诱
导生成造血细胞［8］。2001 年，Kaufman 等［9］ 实验
室首次发现，人类的胚胎干细胞可分化为造血细胞
的各个系。2006 年，Yamanaka 和 Takahashi［10］将 4
种因子导入小鼠成纤维细胞，成功地诱导出iPS细胞。
次年，美国 Thomson 实验室将人类成纤维细胞诱导
生成 iPS 细胞［11］。iPS 细胞在体外能像 ESCs 一样诱
导分化为多种细胞，而且因为来源于自身组织或细
胞而不涉及伦理问题和免疫排斥等问题。iPS 细胞的
诞生进一步缩小了干细胞和临床治疗的疾病之间的
距离，将可能成为再生医学最有希望的供体细胞。
学者在研究 ESCs 体外分化的过程中，推断 iPS
也应具有分化为造血干细胞的潜能，大量的实验亦
证明了这一推断。在诱导过程中，人们借鉴了 ESCs
分化为造血干细胞的成功经验。在 2009 年，Choi 和
Sulkvin 等［12］ 成为第一个报道了 iPSC 细胞与 OP9
基质细胞共培养诱导造血分化的研究者，研究发现
分化而成的单核淋巴细胞具有造血功能。 2010 年，
Lapillonne 等［13］用胚状体（embryoid body，EB）的
方法将人 iPSCs 诱导分化成为红细胞，同时利用人
胚胎干细胞作为对照组，结果发现从 h-iPSC 分化
而成的红细胞与从 h-ESC 来源的几乎完全一致，无
论从表面抗原、血红蛋白类型或功能上都无差别。
2011 年，Dias 等［14］利用 OP9 基质细胞同时将 h-iPSC
和 h-ESC 诱导分化成红细胞，其结果与之前报道的
结果非常相似，并且都生成了胎儿血红蛋白。除了
形成拟胚体和与基质细胞共培养这两种经典方法，
Niwa 等［15］利用单层诱导的方法将人体细胞来源的
iPS 细胞诱导分化得到 CD34+ 细胞，他们采用无血
清培养基添加 VEGF、SCF、BMP4、TPO 等细胞因
子得以完成分化。
最近的研究发现，不仅正常组织细胞可建立
iPS 细胞系，恶性组织细胞亦可诱导生成 iPS 细胞系。
病人特异性 iPS 细胞系的建立，在细胞替代性治疗、
发病机制研究及药物筛选方面具有潜在价值。2007
年，Hanna 等［16］将遭受镰状细胞贫血疾病的人源化
小鼠成纤维细胞重编程为 iPSCs。2009 年，Raya 等［17］
将 Fanconi 贫血病人的体细胞重编程以获得患者来
源的 iPS 细胞，随后他们将该细胞进行了基因纠正。
实验证实了校正后的细胞分化为红系和髓系造血干
细胞的能力与正常的相似。 2010 年，Carette 等［18］
建立了恶性细胞来源的 iPS 细胞系，他本次应用的
细胞为慢性粒细胞白血病患者的体细胞。 2013 年，
Saliba 等［19］利用 CD34+ 细胞在体外诱导生成 iPS 细
胞，而该 CD34+ 细胞来源于骨髓增值性肿瘤患者。
2015 年，本课题组 Song 等［20］利用 β-地中海贫血患
者的血液中分离的外周血单核淋巴细胞诱导生成 iPS
细胞系并利用 CRISPR/Cas9 打靶修复相关致病基因，
结果表明，打靶修复后的 iPS 细胞造血分化效率明
显改善且可以生成 β-珠蛋白（HBB）。
2 体外诱导生成的造血干细胞的动物移植研
究进展
目前对造血干细胞的功能鉴定主要有集落形成
（CFU-C） 实 验、LTC-IC（long-term culture-initiating
cell）实验以及造血系统重建实验。然而对造血干
细胞功能鉴定最严格的标准是重建造血能力的移植
实验。由于目前最大的瓶颈问题是无法获得大量且
有功能的造血干细胞。因为体外实验很难反映一个
细胞群体中体内长期再植造血干细胞的真实数目
和活性，这也致使体外检测良好的细胞亚群，移
植后不能长期重建造血和免疫的问题。为了攻破
这一瓶颈问题，各种动物模型逐步开始建立。1983
年，Bosma 等首次建立了人源性小鼠动物模型，最
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2016,Vol.32,No.436
开始该免疫缺陷鼠只是缺乏 B、T 细胞［21］。1995
年，Shultz 等［22］ 建 立 了 NOD/SCID 小 鼠， 这 一 模
型的建立支持了更高水平的移植实验。随后一段时
间，Shultz 课 题 组 又 开 发 了 NOR，BALB/c 等 模 型
鼠。NSG 鼠除了缺乏 B、T 细胞，它将 NK 细胞也清
除，研究表明，NSG 小鼠进行 CD34+ 体内移植效率
比 NOD/SCID 小鼠高 5 倍多［23］。2011 年，Rongvaux
课题组发现在小鼠中表达一些人类因子，如 TPO、
IL-3、GM-CSF 等可以提升移植效率［24］。有趣的是，
性别也可以影响移植效果，Notta 课题组发现雌性的
NSG 小鼠比雄性小鼠移植效率高 6 倍多［25］。
HSC 不具有特异性的形态学特征，而且数量极
少、体积较小、比重很轻。这些都增加了对其识别
的难度，因为用于移植的细胞只有百万分之一是有
效细胞，那么如何将 iPSCs 体外分化而来的造血干
细胞“纯化”得到了广泛的关注。目前最常用的分
离办法就是利用 HSC 表面的标志蛋白对其进行分离。
CD34 分子表达于早期造血干 / 祖细胞，内皮细胞
和胚胎成纤维细胞表面，占血细胞总数量低于 5％，
人们最早分离造血干细胞就是应用 CD34，而随着研
究的继续深入，人们发现 CD34+ 细胞可分为许多亚
群，大多数细胞已被定向到特定的细胞系［26］。之后
干细胞的表面标记 CD90 与 CD34 一起作为有多能造
血干细胞的标记［27］。CD45RA、CD38 是分化后前体
细胞的表面标记，Lin 认为其为特定细胞系的系列标
记，如果表达阳性，则它就成为已分化的细胞。之
后 Notta 等［28］ 通过移植实验研究发现 CD49f 可以
作为进一步区分 HSCs 的标志。CD49f 在大约 50%
的 Lin-CD34+CD38-CD45RA-CD90+ 的 细 胞 中 有 表
达， 在 大 约 25% 的 Lin-CD34+CD38-CD45RA-CD90-
细胞中有表达，移植单个 Lin-CD34+CD38-CD45RA-
CD90+CD49f+Rho-的细胞可以重建小鼠造血系统，这
说明使用 CD49f 可以更好的区分 HSCs。Osawa 等［29］
研究发现利用 CD34+c-Kit+Sca-1+Lin- 细胞群植入致
死量辐射的小鼠，结果表明该亚群的细胞表现出早
期但并不持久的多系造血重建。Morel 等［30］发现将
CD34+Thy1lowLin-/lowSca-1+ 细胞亚群移植入小鼠后其
造血功能也可恢复。证明该群体富含中短期多系祖
细胞。除了免疫缺陷鼠，Zanjani 等［31］利用胎羊动
物模型来验证 CD34+Lin-、CD34+Lin-CD38- 和 CD34-
Lin- 三种细胞亚群的体内重建能力。结果发现，在
移植后达 10 个月以上时存活的胎羊骨髓中仍存在人
的造血细胞。这些研究都为日后 iPS 细胞分化而来
的造血干细胞应用于临床奠定必要的基础。
3 iPS 技术在血液系统疾病中应用前景及存
在的问题
理论上诱导多能干细胞可以被诱导生成人体组
织和器官，且基因纠正的 iPS 细胞还可以为遗传性
疾病提供新的治疗方式，因此 iPS 技术的再生治疗
和自体组织替代疗法具有很大的发展前景，为遗传
性、恶性血液疾病提供了重要的使用价值。对于常
见的疾病如白血病，再生性贫血障碍，造血功能障
碍等，结合 iPS 技术、基因修复及移植治疗是一种
崭新的治疗方法。但目前 iPS 细胞真正应用于临床
治疗还面临这许多障碍，如安全性问题，山中伸弥
团队最初使用逆转录病毒进行多能干细胞诱导，后
来科学家们相继使用慢病毒、腺病毒和质粒来代
替［32］，但也存在各种病毒污染的问题。而我国邓洪
魁教授研究表明小分子化合物可诱导小鼠体细胞重
编程为多能干细胞［33］，也有利用仙台病毒等方法诱
导人外周血淋巴细胞为 iPS［34］，这些方法很大程度
上提高了体外重编程 iPS 细胞的安全性 ；其次是诱
导分化效率低，在体外集落刺激因子（colony stimul-
ating factor，CSF）、 白 介 素 家 族（interlukin，IL）、
红细胞生成素（erythropoietin，EPO）等可诱导 iPS
细胞分化为造血干细胞，但诱导效率都不高，不能
达到临床需要量。另外，许多研究报道不同组织来
源的 iPS 细胞保留了供体组织来源的组织记忆信息，
而且在后续的分化过程中也体现出倾向性［35，36］。最
近，Sanchez-Freire 等［37］研究发现使用同一患者的
心脏祖细胞和皮肤成纤维细胞建立的 iPS 细胞系，
体外定向诱导分化为心脏祖细胞的效率存在明显差
异，心脏祖细胞来源的 iPS 细胞分化为心脏祖细胞
的效率显著高于皮肤成纤维来源的 iPS 细胞。因此
选用何种组织来源的细胞制备 iPS 也是血液系统疾
病 iPS 细胞治疗必须解决的关键问题。最后就是移
植的问题，虽然已有大量的动物实验证明 iPS 细胞
可用于治疗疾病，且这些细胞表面标记基因的研究
中发现 HSCs 细胞表面一些特异性的表面标记，但
2016,32(4) 37范荻等：诱导多能干细胞在血液系统疾病中的研究进展
是通过这些标记并不能完全区分出所有的 HSCs，如
通 过 Lin-CD34+ CD38-CD45RA-CD90+CD49f+Rho-分
离出的单个细胞，重建小鼠造血系统的成功率不到
20%［38］。由于重建效率如此之低，所以应用于人类
的治疗一直没有开展，直到 2014 年 9 月，Nature 杂
志报道了世界首例利用患者皮肤成纤维细胞来源的
iPS 细胞体外定向诱导分化为视网膜色素上皮细胞治
疗老年性黄斑性病变的临床治疗实验，临床实验的
效果还有待时间来进一步验证［39］。
4 展望
虽然对人类和小鼠胚胎干细胞体外分化成造血
干细胞的研究已经取得了较大的进展，但由于人类
胚胎干细胞是从人类早期胚胎囊获得，其来源有限、
涉及伦理及免疫排斥问题，在临床应用及研究中存
在很大的局限性，而从体细胞诱导的 iPS 细胞体外
诱导分化为造血干细胞则有效地回避了这些问题，
使干细胞向临床应用又迈进了一大步。与此同时，
造血干细胞相关技术的不断发展完善也使得越来越
多的恶性血液系统疾病逐渐被攻破。这两者相辅相
成，iPS 细胞体外分化为造血干细胞的研究也已取得
突破性的进展。相信不久的将来，在人类的 iPS 细
胞中将会衍生出更多其他类型的细胞，这为细胞治
疗、药物筛选及某些特异性疾病的治疗提供了无尽
的供体细胞，在再生医学领域和动物生物技术中具
有广阔的应用前景。
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（责任编辑 狄艳红）