造血幹細胞ニッチ

この分野では膨大な研究が行われてきたにもかかわらず、決定的な造血幹細胞（HSC）の起源については依然として議論が続いている。原始造血は、マウスではE7.5（胚発生7.5日目）、ヒトでは30dpc（受精後30日目）の卵黄嚢の血液島（パンダー島）で初めて確認される。胚は高い有糸分裂活性のため迅速な酸素供給を必要とするため、これらの島は内皮細胞（EC）を胚の循環系と融合させることで赤血球（RBC）を産生する主要な源となっている。

赤血球と内皮細胞が共通の前駆細胞に由来するという血管芽細胞説は、Flk1 -/- などの受容体ノックアウトマウスが赤血球形成と血管成長に欠陥を示すことを研究者が観察したことから発展した。[ 14 ] 1年^後、Choiは、胚性幹細胞（ES細胞）由来の芽球が造血前駆細胞と内皮前駆細胞の両方に共通の遺伝子発現を示すことを示した。 ^{[ 15 ]}しかし、UenoとWeissmanは、異なるES細胞を胚盤胞に混ぜると、結果として生じる胚に見られる血島の大部分に1つ以上のES細胞が寄与することを発見し、血管芽細胞説に対する最初の反証を示した。^{[ 16 ]}ゼブラフィッシュで行われた他の研究は、血管芽細胞の存在をより確固として示している。^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]}血管芽細胞説は概ね支持されているようだが、これまでの研究のほとんどは試験管内で行われており、その存在を解明するためには生体内研究が必要であることを示している。^{[ 20 ]}

その後、マウスではE10.5、ヒトでは受精後4週（4wpc）に、大動脈-生殖腺-中腎（AGM）と呼ばれる胚性中胚葉領域で、背側大動脈の腹側壁に発達する最終的な造血が起こる。 ^{[ 21 ]}新しいHSCは、大動脈循環に入るか、内皮内に留まる。Notch 1は、大動脈HSCの産生を刺激することがわかっているが、Notchシグナル伝達を欠くゼブラフィッシュ変異体mindbombにおけるRunx1の過剰発現はHSC産生を回復させることから、Runx1はNotch1の下流にあることが示唆される。^{[ 22 ] [ 23 ]} Hedgehogシグナル伝達もAGMでのHSC産生に必要である。^{[ 24 ]}このニッチに存在するECは、 p57やIGF2などの因子のアップレギュレーションを介して新しいHSCをサポートすることがわかっている。^{[ 25 ]}造血内皮の再配置は、異なる内皮前駆細胞のAGMへの移動と一致する。^{[ 26 ]}

造血はその後、マウスではE11.5、ヒトでは5wpcでAGMから胎盤と胎児肝臓へと移行する。これらの部位へのHSCの生着はまだ解明中であるが、間質細胞によって発現されるケモカインCXCL12とHSC上に発現されるその受容体CXCR4との相互作用が1つのメカニズムとして提案されている。^{[ 27 ] [ 28 ]}さらに、 SCFとKITのサイトカイン受容体結合は、HSC機能とCXCL12の走化性誘導の増幅において重要であることが認識されている。^{[ 29 ] [ 30 ]}

この期間の HSC の移動において重要な追加因子は、HSC でWnt シグナル伝達を刺激できるインテグリン、N-カドヘリン、およびオステオポンチンである。 ^{[ 31 ] [ 32 ]} PITX2などの転写因子は、正常な HSC 機能をサポートするために間質細胞で発現する必要がある。^{[ 33 ]} AGM と同様に、胎児肝臓 HSC の移動は、機能単位の分化、この場合は肝芽細胞から肝細胞への分化と一致する。^{[ 34 ]}マウスでは、臍帯動脈および尿膜にも造血活性が認められ、そこでは HSC と内皮細胞が共存している。^{[ 35 ]}

造血はその後、マウスではE18、ヒトでは12wpcで骨髄に移動し、個体の生涯の残りの期間、そこに永久に留まる。マウスでは、E14で胎児肝臓から脾臓へ移動し、骨髄で同時に起こる一方で、出生後数週間脾臓に留まる。^{[ 36 ]}この再局在化は、HSCニッチを形成できる骨芽細胞および軟骨細胞前駆細胞の発達によって支えられていると考えられている。 ^{[ 37 ] [ 38 ]}前述のHSC移動を誘導するシグナルに加えて、TIE2 -アンジオポエチンおよびCD44 - E-カドヘリン結合は、このイベントの発生、および骨髄に入った後のこれらのHSCの保持に重要であると思われる。^{[ 39 ] [ 40 ]}

骨髄のHSCは、他のニッチのHSCと同じ特徴を示しません。胎児肝臓のHSCは細胞分裂が増加しますが、成人骨髄のHSCはほとんど静止状態です。^{[ 20 ]}この違いは、部分的には、2つのニッチにおけるシグナル伝達の不一致に起因しています。Sox17は、胎児HSCの生成には重要であることがわかっていますが、成人HSCの生成には重要ではありません。^{[ 41 ]}成人HSCにおけるRunx1の不活性化は機能を損なうのではなく、特定の系統の分化を阻害します。^{[ 42 ]}異なるニッチのHSCの反応性におけるこのような違いは、そこに見られるシグナル伝達が同じではないことを示唆しています。

最近の研究では、 Hoechst染色などの低酸素染色色素を用いて、休止状態のLT-HSCと骨芽細胞は骨髄の低酸素で血流の乏しい領域に存在する一方、ECとMSCは血流の良い領域に存在することが示されている。^{[ 43 ] [ 44 ]}しかし、この低酸素状態はニッチ環境によって部分的に引き起こされているだけであり、HSC自体が休止状態を維持するために低酸素環境を維持している可能性がある。^{[ 45 ]}この酸素分圧はHIF1Aを上方制御し、エネルギー産生を解糖系にシフトさせ、細胞が酸素の乏しい環境で生存できるようにする。^{[ 46 ]}実際、HIF1Aの欠失はHSCの増殖を増加させ、最終的にLT-HSC貯蔵プールを枯渇させる。^{[ 47 ]}このことから、骨髄の低酸素環境は、血管周囲ニッチの類洞からの距離によって部分的に決定され、分化能を持つ幹細胞を保持するためにLT-HSCの静止状態を維持していることが示唆される。

また、カルシウムイオンは、Gタンパク質共役受容体（GPCR）カルシウム感知受容体（CaSR）を介してHSCへの走化性シグナルとして作用することもわかっています。CaSRノックアウトマウスでは、循環血液中および脾臓に造血細胞が認められますが、骨髄にはほとんど認められず、この受容体がこの特定のニッチにおいて重要であることを示しています。^{[ 48 ]}逆に、アゴニストであるシナカルセトによるHSC CaSRの刺激は、骨髄におけるこれらの細胞の遊走と生着を増加させます。^{[ 49 ]}最後に、ビスホスホネートであるアレンドロネートによる破骨細胞の阻害は、HSCおよび骨髄生着の減少と相関しています。^{[ 50 ]}これらの結果を総合すると、破骨細胞の活動により骨内膜ニッチに見られる高濃度のカルシウムイオンは、CaSRを介してHSCが骨髄に生着するためのホーミングシグナルとして作用することを示唆しています。

第三に、循環細胞からHSCが受けるせん断力が造血活性化に役割を果たしていることが示唆されている。AGMの胎児HSCは、これらの力に応答してRunx1の発現が上昇しており、その結果、これらの細胞で有意な造血調節が起こると考えられる。^{[ 51 ]} AGMと骨髄には違いがあるものの、どちらも循環にさらされており、これらの同じ力がこの成体幹細胞ニッチにも存在する可能性は十分にある。細胞外マトリックス（ECM）の歪み、形状、リガンドプロファイルなどの他の特性も、これらのニッチにおける幹細胞の潜在能力の維持に重要であることが示唆されている。^{[ 52 ]}最後に、骨髄のMSCによって部分的に提供されるECMの弾性係数が、近傍の幹細胞の分化と活性を方向付けることが示されている。^{[ 53 ] [ 54 ]}骨髄内のHSCニッチの状況は絶えず変化しており、細胞因子と同様に無細胞因子も造血調節の複雑さを明らかにし始めている。

骨芽細胞、骨形成細胞は、HSCと相互作用し、増殖シグナルを提供する。骨芽細胞を増減させた研究では、HSCの数も同様に増加または減少することが示されている。^{[ 55 ] [ 56 ]}また、骨内膜細胞とHSCを共培養すると、おそらく前述の細胞シグナル伝達分子の分泌を介して、分化能を長期的に維持するのに十分であることがわかった。^{[ 57 ] [ 58 ] [ 59 ]}骨内膜骨芽細胞と相互作用するこれらのHSCは、 ex vivoおよびin vivoイメージング研究の両方で示されているように、静止表現型を示すが、より活発に分裂しているHSCは相互作用が少ない。^{[ 60 ] [ 61 ] [ 62 ]}骨内膜ニッチと相互作用するHSCの活動性が低いというこれらの結果は、骨髄全体におけるHSCの活動状態を調べた以前の結果と一致する。

骨芽細胞に加えて、HSCは血管周囲ニッチの類洞に向かう途中で多くの間葉系細胞と相互作用します。ネスチンを発現するMSCを除去すると、LT-HSCが著しく減少することが示されています。^{[ 63 ]}これらの細胞は高レベルのCXCL12を分泌し、HSCのサイトカイン誘導遊走に影響を与える交感神経と密接に関連しています。^{[ 64 ] [ 65 ]}これらの細胞と同様に、CAR細胞は除去するとHSCとLT-HSC活性の低下と相関しています。^{[ 66 ]}これらの細胞タイプの機能の類似性にもかかわらず、1つの違いは、CAR細胞は骨内膜ニッチと血管周囲ニッチの両方で見られる可能性があるのに対し、ネスチン陽性MSCは血管周囲ニッチのみで見られることです。

ECと脂肪細胞の両方が骨髄のHSC活性に影響を与えることが示唆されている。抗体を介したEC上のVEGF受容体の破壊を用いた研究では、ドナー細胞の生着不良と相関していた。 ^{[ 67 ]}ウイルス遺伝子操作によってNotchおよびAngiopoietin経路を介してシグナル伝達するようにプログラムされた臍帯静脈から分離された内皮細胞であるHUVECは、 LT-HSCを支持し維持することがわかった。^{[ 68 ]}類洞ECの分離は困難であるが、実験的証拠はこれらの細胞がHSCの調節に役割を果たしている可能性があることを示唆している。現在の研究では、骨髄の脂肪細胞がHSC活性を負に制御することが示唆されている。脂肪細胞が豊富な椎骨から分離されたHSCは活性が低下していた。^{[ 69 ]}さらに、脂肪細胞を含む間質細胞の分離により、脂肪細胞がHSCの増殖および造血コロニー形成能力を阻害することが示された。^{[ 58 ]}

最後に、白血球は直接的または間接的に造血幹細胞に影響を与える可能性がある。例えば、Bリンパ球は神経伝達物質アセチルコリンを介して上記の間質細胞に影響を与える。^{[ 70 ]}

造血の多くの転写調節因子のうち、ほぼすべてが異常になると白血病を引き起こします。染色体転座は白血病の特徴であり、TAL1誘導転座は遺伝子座での発現を調節不全にし、RUNX1誘導転座はキメラ融合タンパク質をもたらします。これらのキメラ転写因子は、標的遺伝子の不適切な抑制または活性化、およびクロマチン修飾酵素の不適切なリクルートメントを引き起こす可能性があります。^{[ 71 ]} PAX5およびNotchの変異は、それぞれB細胞およびT細胞白血病を引き起こす可能性があります。^{[ 72 ] [ 73 ]}間質細胞の調節不全は、場合によっては造血コンパートメントの遺伝子病変を引き起こす可能性があります。たとえば、骨芽細胞系細胞の変異は悪性造血を引き起こしました。^{[ 74 ] [ 75 ]}骨芽細胞は固形腫瘍（骨髄外）の存在によっても調節異常を起こす可能性がある。ある研究では、マウスの肺腫瘍が骨芽細胞の活性と数を増加させ、これらの細胞が腫瘍浸潤好中球の産生を介して肺における腫瘍の増殖に重要であることが示された。^{[ 76 ]}

さらに、転移中および転移前には、造血幹細胞が骨髄、肺、筋肉に過剰に存在する。これは、転移再発を起こした患者に特に当てはまる。このことから、造血幹細胞ニッチは、がんが全身に広がる主要なメカニズムの一部である可能性が示唆される。^{[ 77 ]}

造血ニッチは心血管疾患の影響を受け、間質ニッチ細胞の相対頻度や表現型が変化する。これらの変化は特定の状態に依存し、血球産生の変化を引き起こす。^{[ 78 ]}糖尿病は骨髄内皮に影響を与え、骨髄系白血球の生成を変化させる可能性がある。^{[ 79 ] [ 80 ]}これは、動脈硬化などの糖尿病関連疾患に関連する可能性がある。^{[ 80 ]}高血圧と動脈硬化は内皮機能障害を引き起こし、心筋梗塞は骨髄の血管新生を誘導する。^{[ 78 ]}

骨芽細胞は他の炎症性全身疾患にも関与している可能性があり、これは敗血症のマウスモデルを用いた研究によって裏付けられています。^{[ 81 ]}間葉系細胞のβアドレナリン刺激に対する反応は糖尿病で変化し、G-CSF誘導性HSCP動員を阻害します。^{[ 82 ]}