幾十年來，科學家們在實驗室中培養大量造血幹細胞的嚐試一直受阻。這些罕見的骨髓細胞單獨負責產生血液和免疫係統中的所有細胞。培養這些細胞的困難嚴重阻礙了許多研究工作，包括那些讓某些癌症或血液疾病患者更容易和更安全地接受幹細胞移植或基因治療的研究工作。

如今，這些研究人員破解了這些密碼。通過調整培養這些細胞的營養液中的組分、用於支持它們生長的專門分子和培養它們所需的物理條件，他們首次證實誘導來自小鼠的造血幹細胞在短短28天的時間內自我更新數百甚至數千次是可能的。

論文共同通訊作者、斯坦福大學遺傳學教授Hiromitsu Nakauchi博士說道，“這是我作為幹細胞研究員的人生目標之一。50年來，世界各地實驗室的科學家們一直在尋找大量培養這些細胞的方法。如今，我們鑒定出一係列條件，足以讓這些細胞的數量在短短一個月內擴大900倍。我們認為這種方法可能引發在人體中開展造血幹細胞移植和基因治療的變革。”

特別地，這些研究人員證實在不首先消除受者自身幹細胞群體的情況下，成功地將大量體外培養的造血幹細胞移植到小鼠體內是有可能的。如果這種技術也適用於人類，那麼它可能在移植前讓數千名患有血液疾病或免疫疾病的患者免受嚴格的放療或化療方案。它還可能允許臨床醫生利用患者自己的經過基因校正的幹細胞進行基因治療。

相關研究結果於2019年5月29日在線發表在Nature期刊上，論文標題為“Long-term ex vivo haematopoietic-stem-cell expansion allows nonconditioned transplantation”。除了Nakauchi之外，另一名論文共同通訊作者是東京大學幹細胞生物學副教授Satoshi Yamazaki博士。論文第一作者為斯坦福大學博士後學者Adam Wilkinson博士和東京大學高級研究助理Reiko Ishida。

造血幹細胞是骨髓中發現的稀有細胞。像其他幹細胞一樣，它們經分裂後能夠產生更多的造血幹細胞---一個稱為自我更新的過程---或者產生體內所有不同類型的血液細胞和免疫細胞的前體細胞---一個稱為分化的過程。

人們早就知道，患有鐮狀細胞性貧血和白血病等免疫或血液疾病的人能夠通過移植健康的造血幹細胞來治愈。但為了讓這種治療起作用，受者自身的造血幹細胞必須首先被殺死以清除這種疾病，從而為健康的造血幹細胞在骨髓中定植騰出空間。

這種清除步驟，也稱為“調理(conditioning)”，可以用化療或放療，或兩者的組合來完成。然而，這種調理能夠導致危及生命的副作用。這在兒童患者中尤其如此，他們可能在以後的生活中遭受生長遲緩、不孕和繼發性癌症等副作用。重病或老年患者通常不能接受移植，這是因為他們無法忍受這種調理治療。

“幹細胞領域的聖杯”

不過一段時間以來，人們一直在想，移植大量供者造血幹細胞是否可以避免清除受者現存造血幹細胞的需要。也許，他們推斷，給受者骨髓提供一大堆健康的供者細胞將允許新來的供者細胞強行站穩腳跟並產生健康的血液細胞和免疫細胞。

然而，很難測試這一理論，這是因為造血幹細胞難以大量分離。盡管多年來人們能夠在實驗室中培養人類造血幹細胞，但是這些細胞從不會自我更新，而且經常放棄幹細胞的命運，分化成前體細胞。因此，很難深入研究它們的生物學特性或產生足夠的細胞來進行大規模移植。

Nakauchi說道，“擴大造血幹細胞的數量一直是幹細胞領域的最高目標。當某些東西不起作用時，人們往往會認為缺少了某些東西。但是，我們決定通過清除常規培養係統中的所有雜質來嚐試一種相反的方法，同時還優化促進造血幹細胞自我更新的其他方麵。”

這些研究人員還用聚乙烯醇替代了一種可能受到汙染的血液蛋白---血清白蛋白。聚乙烯醇是一種水溶性合成化學物質，經常用於生物醫學研究。

對這些細胞培養方式的這些修改使得這些研究人員能夠利用僅50個起始細胞產生足夠的造血幹細胞用於移植。雖然其中的一些造血幹細胞確實在培養中發生分化，但是在整個培養期間，更多的造血幹細胞仍然保持它們的幹細胞特性。

Nakauchi說，“這些原始的50個細胞在28天內增加了大約8000倍。其中，每35個細胞中就有一個仍然是功能性的造血幹細胞。”

計劃測試人體造血幹細胞

這些研究人員估計，原始樣本中的造血幹細胞數量增加了200～900倍，這是前所未有的擴大水平。當他們將新培養的細胞移植到未經過調理治療的小鼠體內時，這些小鼠產生來自供者造血幹細胞和它們自身造血幹細胞的血液細胞和免疫細胞，這就證實這些供者細胞已經定植並保持功能。

Nakauchi說道，“我們還發現，在培養過程中，我們能夠使用CRISPR技術來校正原始造血細胞中的任何遺傳缺陷。這些經過基因校正的細胞隨後能夠經增殖後用於移植。這應該允許我們使用患者自己的細胞進行基因治療。”

Nakauchi和他在斯坦福大學的合作者如今正在小鼠身上測試這種方法。