骨髓是哺乳动物出生之后的主要造血器官，在生理和应激条件下，骨髓能够调整不同类型血细胞的产生，以满足机体所需。近年来由于单细胞技术的开发和应用，人们对造血细胞分型和功能研究取得了很大进展【1-4】，但对于各种造血细胞在骨髓中的空间分布和功能调控仍研究甚少。其主要原因是缺乏能够在骨髓中可视化研究不同类型造血细胞和血细胞生成过程的成像技术【5】。
2024年3月20日，美国辛辛那提儿童医院医学中心的Daniel Lucas研究团队和中国科学技术大学附属第一医院的吴清清研究员在Nature上发表文章Resilient anatomy and local plasticity of naive and stress haematopoiesis，开发了能够在骨髓原位识别各级造血干、祖细胞和主要血系造血祖细胞及下游分化细胞的多色共聚焦免疫荧光成像技术。并利用该技术对小鼠正常稳态和常见应激条件下，全身不同骨骼骨髓造血的结构特征和变化进行了全面系统的研究。
本研究中，作者首先使用三种已建立的细胞分析策略对十四种骨髓造血干、祖细胞表面247种分子标记物表达水平进行检测和分析，筛选出能够在一种或几中造血干、祖细胞表面特异性表达或不表达的分子标记物。同时，对候选分子进行免疫荧光成像检测，以确定适合的抗体和配色。然后，针对筛选出的35种分子标记物根据细胞表达差异进行搭配组合。对能够特异性识别的细胞群体进行流式分选和体内外功能实验，以确定不同抗体组合方案检测到的细胞类型和功能。最终，作者研发出多色共聚焦免疫荧光成像策略，允许人们能够在骨髓原位同时识别LT-HSC、ST-HSC、功能性MPP2、MPP3、MPP4等各级多潜能造血干、祖细胞，以及红细胞和B淋巴细胞从造血干、祖细胞到下游子代细胞的逐级分化过程。结合该研究组于2021年已建立发表的对骨髓中性粒细胞、单核细胞和树突状细胞等髓系细胞分化过程的成像方法【6】，该研究组首次实现了在骨髓原位对几乎所有造血干、祖细胞和各系子代血细胞以及包括静脉、动脉、巨核细胞和骨小梁在内组成的骨髓微环境结构的同时空成像。
骨髓逐步造血成像策略示意图
利用该策略，作者对年轻稳态条件下的骨髓造血结构进行了全面系统的研究。在此基础上，结合急性失血、全身感染、G-CSF刺激以及自然衰老等四种小鼠模型，对急性和慢性应激条件下包括胸骨、胫骨、肱骨、脊椎骨和颅骨在内的全身五种不同骨组织中的骨髓造血进行了详细研究。发现1）在稳态条件下，造血干细胞和多能祖细胞以单个细胞散在分布在整个骨髓中，并富集在巨核细胞周围；2）具有定向分化潜能的各系祖细胞被募集到不同血管周围，形成谱系特异性造血位点，这些结构由祖细胞和未成熟细胞组成，是每个主要血细胞系的产生场所；3）骨髓造血解剖结构具有一定稳定性，因为在失血、全身细菌感染、G-CSF刺激和自然衰老等应激造血条件下，骨髓造血整体解剖结构能够保持不变；4）而各系造血位点微结构具有很强可塑性，因为它们能够在应对刺激时不同程度地特异性改变造血祖细胞和下游细胞的数量和组成，进而调节机体各系血细胞的生成和产出；5）另外，不同骨骼部位骨髓对应激反应的变化是不同的：胫骨和胸骨对G-CSF的反应方式相反，而颅骨在急性失血后不会像机体其他部位骨骼那样发生红细胞生成增加。
稳态条件下年轻小鼠骨髓造血解剖结构示意图
稳态及不同应激条件下骨髓造血解剖结构示意图
细胞在组织中的空间定位以及与周围环境的相互作用是决定细胞行为和功能的关键因素。了解造血干、祖细胞在骨髓中的空间定位和分化结构是研究其造血微环境组成和调控机制的重要基础。本研究首次实现了在骨髓原位对从造血干、祖细胞起始至红系、淋巴系、粒系、单核树突状细胞等主要谱系造血过程的系统性的可视化研究，突破了以往利用显微成像技术只能够对某一单一细胞群或混杂细胞群体进行研究的技术瓶颈。该方法的应用有效拓展了该领域对骨髓造血从宏观到微观组织结构的认知，揭示了年轻稳态和应激条件下骨髓造血解剖结构的变化特征，定义了赋予骨髓造血可塑性的微观结构，并证实了机体不同部位骨髓应激反应具有显著差异。这一研究成果将为造血和血液系统疾病研究提供新的思路和方法。
美国辛辛那提儿童医院医学中心Daniel Lucas教授和吴清清博士为本文通讯作者。吴清清博士和张济舟博士为本文共同第一作者。（吴清清博士现为中国科学技术大学附属第一医院血液科/血液与细胞治疗研究所特任研究员。张济舟博士现为中国科学技术大学生命科学与医学部/中国科学技术大学附属第一医院血液科特任教授）。
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https://www.nature.com/articles/s41586-024-07186-6
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