造血干细胞（haematopoieticstemcells,HSC）具有无限复制自身并分化成人体内各种血细胞的能力。几十年来，医生们一直在用捐献者骨髓和新生儿脐带内的造血干细胞进行移植，以治疗血液病和免疫系统疾病。然而，由于缺乏匹配的供体，且脐带血中干细胞数量较少，这些治疗也受到了限制。
研究人员试图利用人类多能干细胞在体外诱导生成造血干细胞，从而克服供体的局限性。然而，目前却依然无法实现，部分原因在于现阶段科学家只能将实验室培养的细胞分化成短寿命的造血祖细胞，而不是具有自我更新能力的造血干细胞。
然而，人类HSC产生的具体步骤尚不明确，因此也限制了从人类多能干细胞（hPSCs）诱导分化为能够移植的HSC，同时限制了某些疾病模型的建立和相关研究的开展。
年4月13日，美国加州大学洛杉矶分校的研究团队创建了一份史无前例的造血干细胞发育路线图，追踪了人类胚胎中造血干细胞发育的每一步，为人们在实验室中生产功能齐全的造血干细胞提供了蓝图。该研究以：Mappinghumanhaematopoieticstemcellsfromhaemogenicendotheliumtobirth为题发表在国际顶尖学术期刊Nature上。
通过创建人类造血发生的单细胞转录组图谱，他们记录了HSC从动脉造血内皮细胞产生的全过程，并使用空间转录组学可视化主动脉内造血群（Intra-AorticHaematopoieticClusters,IAHCs）中HSC的产生。此外，通过比较不同成熟阶段的HSC，建立了HSC出现后的转录因子机制，揭示了其表面分子标志物在整个发育过程中的不断演化。
通过建立人类HSC发育的详细分子图谱，将有助于理解HSC的来龙去脉以及某些血液疾病的分子机制，同时也为在体外生成全功能性HSC奠定了基础。
新生人类HSC的分子特性
为了鉴定新生的人类HSC，他们对来自三个Carnegiestage14-15（CS14-15）胚胎主动脉-性腺-中肾（aorta-gonad-mesonephros,AGM）区域的CD34+和CD31造血和内皮细胞进行了单细胞转录组测序（scRNA-seq），并从中鉴定了一个具有人类HSC预期特征的亚群。其中，HLF的表达对HSC群最具特异性。
为了识别新生HSC的分子特征，他们将HSC亚群与所有其他AGM亚群进行了比较分析，并将这些HSC富集的分子生成了一个「新生HSC特征基因集」。紧接着，为了确定胚胎外或其他胚胎内组织是否含有HSC，他们对来自CS14胚胎的多个组织进行了scRNA-seq分析，并寻找共表达RUNX1、HOXA9、MLLT3、MECOM、HLF、SPINK2（HSC富集程度最高的6个基因）的细胞群体，其中HLF阳性细胞被认为是可能的HSC，这些部位包括AGM、胎盘、卵黄囊、脐带和卵黄囊血管，不过在肝脏、头部和心脏中数量极少。
总的来说，这些数据表明，HSC在进入循环系统或定植到肝脏之前，先在胚胎外多个组织中生长。
肝脏中HSC的成熟
为了确定HSC在肝脏定植的时间窗口，他们从不同发育阶段的AGM和胎肝单细胞数据中筛选同时表达HSC特征基因的细胞亚群，即RUNX1+HOXA9MLLT3MECOMHLFSPINK2细胞亚群。其中HLF阳性HSC定量分析显示HSC向肝脏的定植发生在孕6周。
接下来，研究人员系统地评估了HSC的成熟度。对HLF阳性HSC的伪时序分析发现了HSC成熟过程中的时间调控程序。其中，与胚胎发育相关的基因、增殖活性、氧化磷酸化、葡萄糖和核苷酸代谢等相关基因在肝细胞HSC中逐渐受到抑制，反映了其向稳态的转变；而那些抗原呈递类基因则在HSC成熟过程中显著上调，尤其是MHCII类基因。肝、脐带血的流式细胞术分析也证实了HLA-DR和PROM1表达的增加，可作为人类HSC成熟的标志。
HSC起源于动脉内皮细胞
为了确定人类HSC的细胞前体，他们在UMAP降维图中评估了CS14-15AGM中造血细胞和内皮细胞之间的联系。结果发现GJA5阳性动脉内皮细胞到HSC的发展轨迹是直接的，而与其他造血细胞则并不如此。此外，CDH5RUNX1CD45的生血内皮细胞则是连接动脉和HSC的细胞亚群。
在内皮-造血转化（EHT）期间，通过伪时间变量的无监督聚类分析揭示了精确时间窗口的调节开关。生血内皮细胞显示了从内皮细胞到造血细胞转录程序的过渡，并且由代谢静息为特征，即TGFβ/BMP和Notch信号通路在HSC出现后下降。
体外生成AGM样造血干细胞和祖细胞（HSPC）
为了评估人类多能干细胞向HSC的分化并识别其体内的对应细胞，他们对体外生成的血细胞同样进行了scRNA-seq分析。以人类体内造血细胞的scRNA-seq数据为参考，结果发现HLFSPINK2造血干祖细胞与体内未成熟的AGM和胚胎外HSC比较相似，这也通过HSC富集基因的表达得到了证实。但是很遗憾的是，在体外仍然无法产生功能性成熟的HSC。
不过作者表示，通过体内外数据的比较，鉴定在EHT期间的分子差异可能会进一步解决体外生成功能性HSC的瓶颈。
综上所述，这项研究建立了一个从早期妊娠到出生前的人类造血干细胞发生的单细胞转录组图谱。通过鉴定数千个单细胞中的基因网络和功能，揭示了这些细胞在胚胎中的位置。它们起源于生血内皮细胞，并在其发育过程中通过不同的位置迁移，从主动脉开始，最终到达骨髓。重要的是，该图谱揭示了它们成熟过程中的重要时间节点，如造血干细胞到达肝脏，并在此获得了对其功能维持具有重要作用的成分。
本研究通讯作者HannaK.A.Mikkola教授将造血干细胞比作外科医生，正如外科医生需要经历不同阶段的培训来学习如何进行手术一样，未成熟的血液干细胞必须通过不同的位置来学习如何完成造血干细胞的工作。
这一研究成果还将帮助研究人员了解造血干细胞和造血祖细胞之间的根本差异，这对于创造适合用于移植疗法的细胞至关重要。Mikkola说到：「以前，我们试图从多能干细胞中培育出造血干细胞，但它们并没有移植重建能力，我们并不知道在这一过程中哪里失败了。现在，可以将细胞置于我们发布的HSC生成路线图中，看看我们在哪里取得了成功，哪里存在不足，并根据体内数据的指示调整诱导分化过程。」
VincenzoCalvanese（左）和HannaMikkola（右）自年以来一直在加州大学洛杉矶分校合作进行血液干细胞研究（图片来源：EddyMarcosPanos;ReedHutchinson/UCLA）
与此同时，该团队创建了一个在线资源库，公开提供研究数据以方便全世界的科学家使用该图谱来指导新的研究工作。期待该研究结果可以帮助我们继续了解胚胎中发育的造血细胞如何导致人类疾病，以及在实验室中制造出可移植的造血干细胞用于疾病治疗。
