造血幹細胞

造血幹細胞
正常なヒト造血の概要
詳細
前駆	血管芽細胞
システム	造血系
位置	骨髄
関数	他の血液細胞を生み出す幹細胞
識別子
ラテン	cellula haematopoietica praecursoria
頭字語	高度成長期
メッシュ	D006412
TH	H2.00.01.0.00006
微細解剖学の解剖学用語 [Wikidataで編集]

造血幹細胞（HSC）は、他の血液細胞を生み出す幹細胞^[1]です。このプロセスは造血と呼ばれます。^[2]脊椎動物では、最初の最終的なHSCは、内皮から造血への移行と呼ばれるプロセスを通じて、 （妊娠中期の）大動脈-生殖腺-中腎領域内の胎児大動脈の腹側内皮壁から発生します。 ^{[3] [4]成人では、造血はほとんどの骨の中心にある}赤色骨髄で起こります。赤色骨髄は、中胚葉と呼ばれる胎児の層に由来します。

造血は、すべての成熟した血液細胞が生成されるプロセスです。造血は、膨大な生成ニーズ（平均的な人は毎日 5,000 億個以上の血液細胞を生成します）と、循環内の各血液細胞タイプの数を調節するニーズのバランスをとる必要があります。脊椎動物では、造血の大部分は骨髄で発生し、多能性があり、広範囲に自己複製できる限られた数の造血幹細胞から生成されます。

造血幹細胞は、骨髄系およびリンパ系と呼ばれる系統のさまざまな種類の血液細胞を生み出します。骨髄系およびリンパ系の系統は両方とも樹状細胞の形成に関与しています。骨髄系細胞には、単球、マクロファージ、好中球、好塩基球、好酸球、赤血球、巨核球から血小板までが含まれます。リンパ系細胞には、 T 細胞、B 細胞、ナチュラル キラー細胞、および自然リンパ系細胞が含まれます。

造血幹細胞の定義は、1961年に初めて発見されて以来発展してきました。^[5]造血組織には、長期および短期の再生能力を持つ細胞と、多能性、乏能性、単能性の分化前駆細胞が含まれています。造血幹細胞は、骨髄組織の細胞の10,000分の1を占めています。

HSC移植は再生特性があるため、がんやその他の免疫系疾患の治療に使用されています^{[6] 。 [7]}

造血幹細胞は丸く、非接着性で、核が丸く、細胞質と核の比率が低い。形状はリンパ球に似ている。

（マウスとヒトの）胚発生中に最初に発見された造血幹細胞は、大動脈-生殖腺-中腎領域と卵黄動脈および臍帯動脈に見られます。^{[8] [9] [10]}少し遅れて、HSCは胎盤、卵黄嚢、胎児の頭部、胎児の肝臓にも見られます。^{[3] [11]}

幹細胞と前駆細胞は、針と注射器を使って骨盤の腸骨稜から採取することができます。^[12]細胞は液体として採取することも（細胞の形態を調べるために塗抹標本を作成するため）、コア生検で採取することもできます（細胞同士や骨との関係や構造を維持するため）。^[要出典]

コロニー形成単位は HSC のサブタイプです。(この用語の意味は、細胞を数える単位である微生物のコロニー形成単位とは異なります。) HSC コロニー形成単位にはさまざまな種類があります。

• コロニー形成単位 -顆粒球-赤血球-単球-巨核球( CFU-GEMM )
• コロニー形成単位 -リンパ球( CFU-L )
• コロニー形成単位 -赤血球( CFU-E )
• コロニー形成単位- 顆粒球-マクロファージ( CFU-GM )
• コロニー形成単位 -巨核球( CFU-Meg )
• コロニー形成単位 -好塩基球( CFU-Baso )
• コロニー形成単位 -好酸球( CFU-Eos )

上記の CFU は細胞系に基づいています。別の CFU であるコロニー形成単位 - 脾臓 (CFU-S) は、体内のクローンコロニー形成の基礎であり、注入された骨髄細胞が 8 ～ 12 日後に放射線照射されたマウスの脾臓で成熟した造血細胞のクローンを生成する能力に依存します。これは初期の研究で広く使用されていましたが、現在では幹細胞ではなく、より成熟した前駆細胞またはトランジット増幅細胞を測定するものと考えられています^[要出典]。

造血幹細胞は純粋な集団として単離することができないため、顕微鏡で同定することはできない。^{[要出典]造血幹細胞は}フローサイトメトリーを用いて同定または単離することができ、フローサイトメトリーでは数種類の異なる細胞表面マーカー（特にCD34 ）の組み合わせを使用して、希少な造血幹細胞を周囲の血液細胞から分離する。造血幹細胞は成熟血液細胞マーカーの発現を欠いているため、Lin- と呼ばれる。系譜マーカーの発現の欠如は、数種類の陽性細胞表面マーカーの検出と組み合わせて、造血幹細胞を単離する。さらに、造血幹細胞はサイズが小さく、ローダミン 123（ローダミン^lo）やヘキスト 33342（サイドポピュレーション）などの生体染色染色で染色性が低いという特徴がある。

造血幹細胞は、血液中の細胞の形成である造血に不可欠です。造血幹細胞は、すべての血液細胞タイプを補充することができ（つまり、多能性です）、自己複製します。少数の造血幹細胞は増殖して、非常に多くの娘造血幹細胞を生成することができます。この現象は、少数の造血幹細胞が造血系を再構成する骨髄移植で使用されます^[13]。このプロセスは、骨髄移植後に2つの娘造血幹細胞への対称的な細胞分裂が起こらなければならないことを示しています。

幹細胞の自己複製は骨髄の幹細胞ニッチで起こると考えられており、このニッチに存在する主要なシグナルが自己複製に重要であると想定するのは妥当です。^[2] HSCの自己複製の環境的および分子的要件には大きな関心が寄せられています。HSCの自己補充能力を理解することで、最終的には治療に使用できる HSCの増殖集団を体外で生成できるようになるからです。

造血幹細胞は、すべての成体幹細胞と同様に、主に静止状態、つまり可逆的な成長停止状態で存在します。静止状態のHSCの代謝の変化により、細胞は低酸素骨髄環境で長期間生存することができます。^[14]細胞死や損傷によって引き起こされると、造血幹細胞は静止状態から抜け出し、再び活発に分裂し始めます。休眠状態から増殖状態への移行とその逆の移行は、MEK / ERK経路とPI3K / AKT / mTOR経路によって制御されています。^[15]これらの移行の調節不全は、幹細胞の枯渇、つまり血液系内の活性造血幹細胞の段階的な損失につながる可能性があります。^[15]

造血幹細胞は、他の未熟な血液細胞よりも骨髄関門を通過する可能性が高く、そのため、血液中をある骨の骨髄から別の骨へと移動することができます。胸腺に定着すると、 T細胞に発達する可能性があります。胎児やその他の髄外造血の場合、造血幹細胞は肝臓や脾臓に定着して発達することもあります。

これにより、造血幹細胞を血液から直接採取することが可能になります。

造血幹細胞移植（HSCT）は、多能性造血幹細胞を移植する治療法であり、通常は骨髄、末梢血、臍帯血から採取される。^{[16] [17] [13]}自家移植（患者自身の幹細胞を使用）、同種移植（ドナーから幹細胞を採取）、同系移植（一卵性双生児から採取）のいずれかである。^{[16] [17]}

これは、多発性骨髄腫や白血病などの特定の血液または骨髄の癌の患者に対して最も頻繁に行われます。^[17]これらの場合、移植前にレシピエントの免疫系は通常、放射線または化学療法によって破壊されます。感染症と移植片対宿主病は、同種HSCTの主な合併症です。^[17]

循環する末梢血から幹細胞を採取するために、献血者に顆粒球コロニー刺激因子（G-CSF）などのサイトカインを注射し、細胞が骨髄から出て血管内を循環するように誘導します。 ^[18] 哺乳類の発生学では、最初の決定的な造血幹細胞はAGM（大動脈-性腺-中腎）で検出され、その後、出生前に骨髄に定着する前に胎児肝臓で大量に増殖します。^[11]

造血幹細胞移植は依然として多くの合併症の可能性がある危険な処置であり、生命を脅かす疾患の患者にのみ適用されます。この処置後の生存率が上昇するにつれて、その適用範囲は癌だけでなく自己免疫疾患^{[19] [20]}や遺伝性骨異形成症、特に悪性乳児大理石骨病^{[21] [22]}やムコ多糖症^[23]にも拡大しました。

幹細胞は様々な種類の組織の再生に使用できます。HCTは、急性骨髄性白血病や原発性免疫不全症に加え、慢性骨髄性白血病、急性リンパ性白血病、再生不良性貧血、異常ヘモグロビン症の治療薬として確立されています。造血系の再生は、通常、化学療法または放射線療法とHCTの2～4週間以内に達成されます。HSCは、非造血組織の再生に使用するための臨床試験が行われています。^[24]

加齢に伴い、長期造血幹細胞にDNA鎖切断が蓄積します。^[25]この蓄積は、 HSCの静止状態に依存するDNA修復および応答経路の広範な減衰に関連しています。 ^[25] 非相同末端結合（NHEJ）は、DNAの二重鎖切断を修復する経路です。NHEJは、切断末端が相同テンプレートを必要とせず直接連結されるため、「非相同」と呼ばれます。NHEJ経路は、リガーゼ4、DNAポリメラーゼμ、NHEJ因子1（NHEJ1、CernunnosまたはXLFとも呼ばれる）などのいくつかのタンパク質に依存しています。

DNAリガーゼ4（Lig4）は、NHEJによる二本鎖切断の修復において非常に特異的な役割を果たしている。マウスにおけるLig4欠損は、加齢とともに造血幹細胞の進行性喪失を引き起こす。^[26]多能性幹細胞におけるLig4の欠損は、DNA二本鎖切断の蓄積とアポトーシスの増強をもたらす。^[27]

ポリメラーゼμ変異マウスでは、いくつかの末梢血および骨髄細胞集団で造血細胞の発達に欠陥があり、いくつかの造血系統を含む骨髄細胞数が約40％減少しています。^[28]造血前駆細胞の増殖能も低下しています。これらの特徴は、造血組織における二重鎖切断の修復能力の低下と相関しています。

マウスにおけるNHEJ因子1の欠損は、長期にわたる再増殖が不完全で、時間の経過とともに悪化するという証拠を含むいくつかの証拠によって示されているように、造血幹細胞の早期老化につながります。^[29] NHEJ1欠損のヒト誘導多能性幹細胞モデルを使用して、NHEJ1が原始的な造血前駆細胞の生存を促進する上で重要な役割を果たすことが示されました。^[30]これらのNHEJ1欠損細胞は、生理学的ストレス、正常な代謝、および電離放射線によって引き起こされるDNA損傷に対処できないと思われる、NHEJ1を介した修復能力が弱いです。^[30]

造血幹細胞のLig4、DNAポリメラーゼμ、およびNHEJ1欠損に対する感受性は、NHEJが幹細胞が長期にわたって生理的ストレスに対して自らを維持する能力の重要な決定要因であることを示唆している。^[26] Rossiら^[31]は、野生型の造血幹細胞であっても、内因性DNA損傷が加齢とともに蓄積することを発見し、DNA損傷の蓄積が幹細胞の老化の重要な生理学的メカニズムである可能性があることを示唆した。

ある研究によると、造血幹細胞のクローン多様性は70歳前後で劇的に減少し、増殖の速い細胞が少数に減少することが示されており、健康的な老化を可能にする新しい 老化理論を実証している。^{[32] [33]}注目すべきことに、老化中のクローン多様性の変化は、2008年にカリフォルニア州サンディエゴの クリスタ・ミュラー・シ​​ーバーグ研究所によってマウスシステムで以前に報告されている^{[34] 。}

敷石領域形成細胞（CAFC） アッセイは、細胞培養に基づく経験的アッセイです。間質フィーダー層の合流培養物上に播種すると、^[35]造血幹細胞の一部が（間質細胞が互いに接触しているにもかかわらず）隙間に侵入し、最終的に間質細胞と基質（ここでは培養皿の表面）の間に定着するか、間質細胞間の細胞突起に閉じ込められます。エンペリポレシスは、ある細胞が別の細胞に完全に飲み込まれる（例：胸腺細胞が胸腺ナース細胞に飲み込まれる）生体内現象です。一方、in vitroでリンパ系細胞がナース様細胞の下に侵入するプロセスは、擬似エンペリポレシスと呼ばれます。この類似の現象は、HSC 分野では細胞培養用語の玉石領域形成細胞 (CAFC)としてよく知られています。これは、位相差顕微鏡下で、屈折性のある他の造血幹細胞と比較して、鈍い玉石のように見える領域または細胞のクラスターを意味します。これは、間質細胞の上にゆるく浮遊している細胞が球状であるため屈折性があるために発生します。しかし、間質細​​胞の下に潜り込む細胞は平らであるため屈折性ではありません。擬似エンペリポレシスのメカニズムは最近になってようやく明らかになりました。これは、 CXC ケモカイン (例: SDF1 )の受容体であるCXCR4 (CD184)とα4β1インテグリンを介した相互作用によって媒介される可能性があります。^[36]

造血幹細胞 (HSC) は直接観察するのが容易ではないため、その挙動は間接的に推測する必要があります。クローン研究は、HSC の単一細胞 in vivo 研究に最も近い手法であると考えられます。この研究では、高度な実験的および統計的手法を使用して、致死量の放射線を浴びた宿主に移植された細胞に単一の HSC が高確率で含まれていることを確認します。その後、宿主が再構成される際に血液中のドナー型細胞の割合をモニタリングすることで、この幹細胞のクローン増殖を経時的に観察できます。結果として得られる時系列は、HSC の再増殖動態として定義されます。

再構成の速度論は非常に不均一である。しかし、シンボリックダイナミクスを使用すると、それらが限られた数のクラスに分類されることを示すことができる。^[37]これを証明するために、クローンThy-1 ^lo SCA-1 ⁺ lin ⁻（B220、CD4、CD8、Gr-1、Mac-1、およびTer-119）^[38] c-kit ⁺ HSCからの数百の実験的な再増殖速度論が、ドナー型細胞の割合の2回の連続した測定がそれぞれ正、負、または不変の傾きを持つたびに、記号「+」、「-」、「~」を割り当てることによって、シンボリックシーケンスに変換された。ハミング距離を使用して、再増殖パターンをクラスター分析にかけ、16の異なる速度論グループを生成した。経験的証明を完了するために、ラプラスの1つ追加アプローチを使用して、これらの16グループに含まれない速度論が見つかる確率が非常に小さいことを決定した。当然のことながら、この結果は、造血幹細胞コンパートメントも動的基準によって異質であることを示しています。

もともと、造血幹細胞は自己複製能と分化能においてすべて同じであると考えられていました。この見解は、2002年にサンディエゴのミュラー・シ​​ーバーググループが、異なる幹細胞が異なる再増殖パターンを示し、それがクローンThy-1 ^lo Sca-1 ⁺ lin ⁻ c-kit ⁺ HSCの本質的な特性としてエピジェネティックに決定されていることを例証したことにより、初めて疑問視されました。 ^{[39] [40] [41]}これらのクローン研究の結果から、系統バイアスの概念が生まれました。血液中のリンパ系（L）細胞と骨髄系（M）細胞の比率を定量的マーカーとして使用すると、幹細胞コンパートメントはHSCの3つのカテゴリーに分けることができます。バランスのとれた（Bala）造血幹細胞は、操作されていないマウスで見られるのと同じ骨髄細胞とリンパ細胞の比率（平均で約15％の骨髄細胞と85％のリンパ細胞、または3 ≤ ρ ≤ 10）で末梢白血球を再増殖します。骨髄偏向型（​​My-bi）造血幹細胞はリンパ球をほとんど生成しないため、比率は0 < ρ < 3になりますが、リンパ偏向型（Ly-bi）造血幹細胞は骨髄細胞をほとんど生成しないため、リンパ対骨髄比はρ > 10になります。これら3つのタイプはすべてHSCの正常なタイプであり、分化の段階を表すものではありません。むしろ、これらはHSCの3つのクラスであり、それぞれがエピジェネティックに固定された分化プログラムを持っています。これらの研究は、系統の偏りが確率的に制御されたり、環境の影響の違いに依存したりしないことも示しました。 My-bi HSCはバランス型またはLy-bi HSCよりも自己複製に時間がかかります。骨髄偏向は、リンフォポエチンインターロイキン7（IL-7）に対する応答性の低下によって生じます。^[40]${\displaystyle \rho =L/M}$

その後、他のグループが元の研究結果を確認し、強調しました。^[42]たとえば、Eavesグループは2007年に、再増殖速度、長期自己複製能力、およびMy-biとLy-biが安定して受け継がれるHSCの固有の特性であることを確認しました。^{[43] 2010年に、Goodellグループは}、サイドポピュレーション（SP）SCA-1 ⁺ lin ⁻ c-kit ⁺ HSCの系統偏りの分子基盤に関する追加の洞察を提供しました。 ^{[44] IL-7シグナル伝達について以前に示されているように、}形質転換成長因子ファミリーのメンバー（TGF-beta）がそれぞれMy-biとLy-bi HSCの増殖を誘導および阻害することがわかりました。

ギリシャ語のhaimato- （ haima 「血」の結合形）と、ギリシャ語のpoietikos（作る能力のある、創造的な、生産的な）のラテン語化形（ poiein「作る、創造する」から）から。^[45]

• 造血幹細胞ニッチ
• 成人の体内の異なる細胞タイプのリスト

• EuroStemCell の血液幹細胞に関するファクトシート