胚胎干细胞与造血相关的应用研究

在研究ES细胞调控机制的同时，研究人员的另一个目标是进一步将其诱导分化为不同类型的细胞（如肝脏细胞、胰岛细胞、神经细胞、血液细胞等）并应用到临床疾病治疗。由于造血干细胞体外培养困难，利用ES细胞分化形成各种造血系细胞有望解决血液细胞的来源问题，造血发生的研究也成为干细胞发现以后非常活跃的研究领域之一。

早期体外诱导ES细胞分化常采用形成拟胚体(embryoid body)的方法来模拟胚胎的发育过程，从而诱导细胞分化。在去除ES细胞培养液中的分化抑制因子后，将细胞进行悬浮或悬滴培养，ES细胞会聚集形成球状拟胚体。进一步分化后，球状拟胚体内部会形成囊腔结构，与胚胎发育过程中的卵黄囊相似。Doetschman等发现小鼠ES细胞形成的拟胚体中含有血岛细胞，这些细胞可以在细胞因子的作用下进一步形成造血前体细胞。另一种方法是将ES细胞与不同的基质细胞(stromal cell)系S17,OP9等共培养，直接诱导细胞分化为造血细胞。其中，OP9基质细胞系是从M-CSF缺失的小鼠颅骨中分离建立的细胞系，在促进ES细胞体外分化形成淋巴及粒系细胞方面的效率相比其他基质细胞的效率更高。

对ES细胞向造血分化的研究结果显示，ES细胞分化获得的造血前体细胞更类似原始造血细胞，缺乏表达永久造血所必需的关键转录因子。Perlingeiro等发现在ES细胞中过表达Bcr/Abl可以诱导ES细胞分化形成粒系、淋系及红细胞等多种细胞。Kyba等发现在ES细胞中过表达HoxB4可以诱导ES细胞大量生成造血前体细胞。另外，CDX4基因的表达也与细胞分化过程中的血液细胞谱系的选择平衡相关。2016年CHENG-TAO等发现在ES细胞向造血细胞分化至第10天时，诱导激活klf1基因的表达可以促进细胞向红系细胞分化。Thomas Moreau等报道，过表达GATA1、FLI1和TAL1这三个基因可以促进ES细胞转变为巨核细胞(megakaryocyte)，这些细胞可以进一步形成血小板，有一定的应用前景。不过，以上这些通过表达外源基因诱导细胞分化的方法存在细胞遗传变异的风险，另一方面形成的分化细胞中造血细胞谱系分布与骨髓来源的细胞还是存在较大的差距，获得的细胞不能直接应用于临床。是否能直接通过添加细胞因子激活关键信号通路或者应用小分子化合物来诱导关键基因的表达，从而提高ES细胞向造血细胞分化的效率和质量值得更进一步的探索。

小鼠ES细胞向造血细胞分化的研究为人ES细胞的分化研究奠定了一定的基础。人ES细胞分离成功后，2001年，James Thomson实验室首先报道了人ES细胞向造血细胞分化的研究。将人ES细胞共培养于小鼠基质细胞S17或卵黄囊内皮细胞系C166上，经过17天的培养，大约1%～2%的分化细胞为CD34﹢CD38-细胞[插图]。随后，2005年，Vodyanik等报道利用人ES细胞与OP9细胞共培养的方法可以提升细胞向造血细胞分化的效率，最终获得的分化细胞中CD34+细胞阳性比例可以达到20%，并且这些细胞可以进一步分化为B细胞，NK细胞，粒细胞等。在iPS技术出现以后，Lengerke等证实iPS细胞也能高效的诱导分化为CD34+CD45+细胞，只是目前还没有证实iPS细胞来源的造血细胞能够在动物体内移植后长期存活。除了拟胚体和基质细胞共培养，在ES细胞向造血细胞分化过程中还用到多种细胞因子促进中胚层细胞的分化，包括干细胞因子(SCF)，BMP4，血管内皮生长因子(VEGF)，这些细胞因子协同作用诱导ES细胞向中胚层细胞分化以及造血细胞形成。

目前，ES向造血系统分化的调控机制受到了广泛的研究，但总体来说，ES细胞在造血相关的应用方面目前仍处于实验室阶段，临床应用方面还存在许多问题有待解决。首先，目前ES细胞向造血细胞诱导分化效率不高，成本高昂，很难大量推广应用。其次，现有的分化方法采用鼠源基质细胞共培养，存在鼠源细胞的污染的问题。而且，ES细胞分化后的造血系细胞的纯化也比较困难，限制了细胞的应用。此外，由于造血系细胞的功能很难在体外明确鉴定，ES细胞分化获得的造血系细胞在移植后体内功能也不确定，临床应用的安全性问题也有待明确。