造血幹細胞

（マウスとヒトの）胚発生中に最初に発見される造血幹細胞は、大動脈-生殖腺-中腎領域と卵黄動脈および臍帯動脈に存在します。^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]}少し後には、HSCは胎盤、卵黄嚢、胚の頭部、胎児の肝臓にも存在します。^{[ 3 ] [ 13 ]}

幹細胞および前駆細胞は、針と注射器を使用して骨盤の腸骨稜から採取できます。^{[ 14 ]}細胞は液体として採取することも（細胞形態を調べるために塗抹標本を作成するため）、コア生検によって採取することもできます（細胞同士および骨との関係の構造を維持するため）。^{[ 15 ]}

コロニー形成単位はHSCのサブタイプである。（この用語の意味は、細胞数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る。）HSCのコロニー形成単位には様々な種類がある。

• 顆粒球-赤血球-単球-巨核球コロニー形成単位（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）
• 顆粒球マクロファージコロニー形成単位（CFU-GM）
• 巨核球コロニー形成単位（ CFU -Meg）
• 好塩基球コロニー形成単位（CFU-Baso）
• 好酸球コロニー形成単位（CFU-Eos）

上記のCFUは系統に基づいている。別のCFUである脾臓コロニー形成単位（CFU-S）は、生体内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内で成熟した造血細胞のクローンを生み出す能力に依存している。これは初期の研究で広く使用されたが、現在では幹細胞ではなく、より成熟した前駆細胞または増殖性細胞を測定するものと考えられている。

造血幹細胞は純粋な集団として分離できないため、顕微鏡で識別することはできません。造血幹細胞は、フローサイトメトリーを用いて識別または分離することができます。フローサイトメトリーでは、複数の異なる細胞表面マーカー（特にCD34）を組み合わせて、希少な造血幹細胞を周囲の血液細胞から分離します。造血幹細胞は成熟血液細胞マーカーを発現しないため、Lin-と呼ばれます。系統マーカーの発現の欠如は、複数の陽性細胞表面マーカーの検出と組み合わせて、造血幹細胞を分離するために用いられます。さらに、造血幹細胞は、その小さなサイズと、ローダミン123（ローダミン^lo）やHoechst 33342（サイドポピュレーション）などの生体染色色素による染色性が低いという特徴があります。

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、すべての血液細胞型を補充することができ（つまり、多能性です）、自己複製することができます。少数の造血幹細胞が増殖して、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築する骨髄移植で利用されています^{[ 16 ]}。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重要なシグナルが自己複製に重要であると考えるのは妥当である。 ^{[ 2 ]} HSCの自己複製に必要な環境的および分子的な要件には大きな関心が寄せられており、HSCが自己補充する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することが可能になる。

造血幹細胞は、他のすべての成体幹細胞と同様に、ほとんどが休眠状態、つまり可逆的な増殖停止状態にあります。休眠状態の造血幹細胞の代謝の変化は、低酸素状態の骨髄環境で細胞が長期間生存するのに役立ちます。^{[ 17 ]}細胞死や損傷によって刺激されると、造血幹細胞は休眠状態から抜け出し、再び活発に分裂を開始します。休眠状態から増殖状態への移行と、その逆への移行は、MEK/ERK経路とPI3K/AKT/mTOR経路によって制御されています。^{[ 18 ]}これらの移行の調節異常は、幹細胞の枯渇、つまり血液系における活性造血幹細胞の漸進的な喪失につながる可能性があります。^{[ 18 ]}

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、血液に乗ってある骨の骨髄から別の骨へと移動する可能性がある。胸腺に定着すれば、 T細胞に分化する可能性がある。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分化することもある。

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る。

造血幹細胞移植（HSCT）は、通常、骨髄、末梢血、または臍帯血から採取される多能性造血幹細胞の移植です。 ^{[ 19 ] [ 20 ] [ 16 ]}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提供）、または同系移植（一卵性双生児から）のいずれかになります。^{[ 19 ] [ 20 ]}

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よく行われます。^{[ 20 ]}これらの場合、移植前に通常、レシピエントの免疫系は放射線療法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、同種造血幹細胞移植の主な合併症です。^{[ 20 ]}

循環末梢血から幹細胞を採取するために、献血者には顆粒球コロニー刺激因子（G-CSF）などのサイトカインが注射され、細胞が骨髄から出て血管内を循環するように誘導される。^{[ 21 ]}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-生殖腺-中腎）で検出され、出生前に骨髄に定着する前に胎児肝臓で大量に増殖する。^{[ 13 ]}

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限定されています。この処置後の生存率が向上するにつれて、その使用は癌だけでなく自己免疫疾患^{[ 22 ] [ 23 ]}や遺伝性骨異形成症、特に悪性乳児骨硬化症^{[ 24 ] [ 25 ]}やムコ多糖症^{[ 26 ]}にも拡大しています。

幹細胞は、さまざま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て、慢性骨髄性白血病、急性リンパ性白血病、再生不良性貧血、ヘモグロビン異常症の治療法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後2～4週間以内に達成されます。HSCは、非造血組織の再生への使用について臨床試験が行われています。^{[ 27 ]}

敷石状領域形成細胞（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コンフルエント培養に播種すると、^{[ 38 ]}造血幹細胞の一部が（間質細胞同士が接触しているにもかかわらず）隙間を這い進み、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捕捉されます。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（例えば、胸腺細胞が胸腺看護細胞に飲み込まれる）生体内現象です。一方、試験管内でリンパ系細胞が看護細胞のような細胞の下に這い進む場合、このプロセスは偽エンペリポレシスと呼ばれます。この類似の現象は、HSC分野では一般的に「敷石状領域形成細胞（CAFC）」という細胞培養用語で知られています。これは、位相差顕微鏡下では、屈折性のある他の造血幹細胞と比較して、細胞の領域またはクラスターが鈍い敷石のように見えることを意味します。これは、間質細胞の上にゆるく浮いている細胞が球形であるため屈折性があるのに対し、間質細​​胞の下に潜り込んでいる細胞は扁平であるため屈折性がないために起こります。擬似エンペリポレシスのメカニズムはごく最近になって明らかになりつつあります。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。^{[ 39 ]}

造血幹細胞（HSC）は直接観察すること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る。クローン研究は、HSCの生体内における単一細胞研究に最も近い手法であると考えられる。本研究では、高度な実験手法と統計的手法を用いて、致死量の放射線を照射した宿主に移植された細胞中に、高い確率で単一のHSCが含まれていることを確認する。そして、宿主の血中ドナー由来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する。得られた時系列データは、HSCの再増殖動態として定義される。

再構成の動態は非常に不均一です。しかし、記号力学を使用すると、限られた数のクラスに分類できることがわかります。^{[ 40 ]}これを証明するために、クローン性の Thy-1 ^lo SCA-1 ⁺ lin ⁻ (B220、CD4、CD8、Gr-1、Mac-1 および Ter-119) ^{[ 41 ]} c-kit ⁺ HSC からの数百の実験的再増殖動態を、ドナー型細胞の割合の 2 つの連続した測定値がそれぞれ正、負、または変化なしの傾きを持つ場合に記号 "+"、"-"、"~" を割り当てることにより、記号シーケンスに変換しました。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 の異なる動態グループを得ました。経験的証明を完了するために、ラプラス加算法を使用して、これらの 16 グループに含まれない動態が見つかる確率が非常に小さいことを決定しました。この結果から、造血幹細胞コンパートメントは動的な基準においても不均一であることが示される。

当初、すべての造血幹細胞は自己複製能力と分化能力において同一であると考えられていた。この見解は、2002年にサンディエゴのミュラー・シ​​ーバーグ研究グループによって初めて覆された。彼らは、異なる幹細胞が、クローン性のThy-1 ^lo Sca-1 ⁺ lin ⁻ c-kit ⁺ HSCのエピジェネティックに決定された固有の特性である、異なる再増殖パターンを示すことを明らかにした。^{[ 42 ] [ 43 ] [ 44 ]}これらのクローン研究の結果は、系統バイアスの概念につながった。比率を用いて${\displaystyle \rho =L/M}$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用いると、幹細胞コンパートメントは3つのカテゴリーの造血幹細胞（HSC）に分類できる。バランス型（Bala）造血幹細胞は、未処理のマウスに見られる骨髄系細胞とリンパ系細胞の比率（平均で骨髄系細胞約15%、リンパ系細胞約85%、つまり3 ≤ ρ ≤ 10）で末梢白血球を補充する。骨髄偏向型（​​My-bi）造血幹細胞はリンパ球をほとんど産生せず、その結果、比率は0 < ρ < 3となる。一方、リンパ系偏向型（Ly-bi）造血幹細胞は骨髄系細胞をほとんど産生せず、その結果、リンパ系細胞と骨髄系細胞の比率はρ > 10となる。これら3つのタイプはすべて正常なHSCであり、分化の段階を表すものではない。むしろ、これらはそれぞれエピジェネティックに固定された分化プログラムを持つ3つのクラスのHSCである。これらの研究は、系統バイアスが確率的に制御されているわけでも、環境影響の違いに依存しているわけでも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よりも長く自己複製します。骨髄系バイアスは、リンパ球増殖因子インターロイキン7（IL-7）に対する反応性の低下によって生じます。^{[ 43 ]}

その後、他のグループが元の発見を確認し、強調しました。^{[ 45 ]}例えば、Eavesグループは2007年に、再増殖動態、長期自己複製能力、My-biおよびLy-biが安定して遺伝するHSC固有の特性であることを確認しました。^{[ 46 ]} 2010年、Goodellグループは、サイドポピュレーション（SP）SCA-1 ⁺ lin ⁻ c-kit ⁺ HSCにおける系統バイアスの分子基盤に関する追加的な洞察を提供しました。^{[ 47 ]} IL-7シグナル伝達について以前に示されたように、形質転換成長因子ファミリー（TGF-β）のメンバーが、それぞれMy-biおよび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。