慢性粒細胞白血。–ML)是一種骨髓增殖性疾病,表現為成熟和未成熟的粒細胞不受調控的異常增殖,導致外周血白細胞大量增生。CML起源于白血病干細胞(LSC,CD34+CD38-lin-cells)群體。LSCs存在于骨髓微環(huán)境(BMM)中,與正常的造血干細胞(HSCs)共存。在疾病進展過程中,HSCs被LSCs及其子代取代。研究已經表明,白血病細胞會改變其周圍的生態(tài)位,例如,通過誘導促炎環(huán)境,為LSC的自我更新、分化和存活創(chuàng)造寬松的空間。
血管微環(huán)境已被確定為CML發(fā)展的重要因素。在小鼠模型中觀察到,惡性腫瘤建立后骨髓(BM)中血管化增加,在CML患者的BM 中同樣,這提示其與預后不良有關。據報道,在CML小鼠模型中,BM內皮細胞可以調節(jié)白血病干細胞和祖細胞的靜息和增殖。然而,這一觀察結果尚未在原代人類細胞中得到評估。
在墨西哥國立自治大學、墨西哥塞古羅社會研究所的一項報告中,描述了原始白血病細胞與內皮集落形成細胞(ECFC)的共培養(yǎng),作為白血病細胞與血管微環(huán)境相互作用的體外模型,以分析內皮細胞對維持CML患者干細胞和祖細胞的影響。
與內皮細胞共培養(yǎng)可維持原始 CML 細胞
基于血管微環(huán)境能夠調節(jié)小鼠惡性造血的事實,實驗建立了一個體外模型,其中人內皮細胞(EC)與富含干細胞和祖細胞(認為是原始細胞)的CML細胞群共培養(yǎng)。如圖1 a,CML細胞與EC的共培養(yǎng)對CML細胞有維持作用。在沒有EC(對照)的情況下沒有觀察到這種效果。值得注意的是,當在沒有內皮細胞但存在造血刺激因子(細胞因子對照)的情況下培養(yǎng)細胞時,CML細胞群的總數量翻了一番。
內皮細胞與CML細胞共培養(yǎng),不接觸或接觸,都導致Lin-CD34+ CD38- 細胞水平分別比初始細胞數增加110%和170%(圖1 b)。后者與細胞因子對照中的增加相似。在對照培養(yǎng)(僅基礎培養(yǎng)基)中,Lin-CD34+ CD38- 細胞的數量減少(圖1 b)。在Lin-CD34+ CD38+ 細胞中,當它們與EC接觸時觀察到增加了 20%。這種增加在細胞因子對照培養(yǎng)中沒有發(fā)生,并且與陰性對照和無接觸共培養(yǎng)相比具有統(tǒng)計學意義,其中細胞群的總數量減少了一半(圖1 c)。
為了確定共培養(yǎng)對集落形成細胞(CFC)水平的影響,進行了集落測定。圖1 d顯示當白血病細胞與EC接觸時,CFC水平得以維持;相比之下,在無接觸共培養(yǎng)中,CFC水平降低了50%。在細胞因子對照和僅基礎培養(yǎng)基對照中,CFC數量分別減少了65%和83%(圖1 d)。此外,在無接觸共培養(yǎng)中,觀察到大多數集落對應于骨髓(CFU-G和CFU-M)和晚期紅系(CFU-E)集落,而在接觸共培養(yǎng)中,觀察到高比例的BFU-E,CFU GM和CFU-Mix集落,這表明直接接觸共培養(yǎng)有利于更原始祖細胞的存活。
為了鑒定可能參與培養(yǎng)中白血病細胞維持的可溶性因子,在培養(yǎng)3天后對上清液進行了多重分析。在無接觸共培養(yǎng)中,發(fā)現與骨髓分化相關的炎性細胞因子和可溶性分子的大量產生。另一方面,在直接接觸培養(yǎng)中,炎癥分子的分泌減少,僅觀察到高水平的IL-1a,IL-6和SCF(圖1 e)。值得注意的是,所有這些細胞因子都參與CML細胞維持。這些數據表明,與內皮細胞的接觸有利于維持培養(yǎng)中的CML原始細胞。
圖1 與內皮細胞共培養(yǎng)可維持CML原始細胞。
(A)在EC共培養(yǎng)三天后評估總CML細胞數。(B)共培養(yǎng)3天后評估干細胞(Lin-CD34+ CD38-)或(C)祖細胞(Lin-CD34 + CD38 +)細胞數。(D)共培養(yǎng)三天后,將3000個造血細胞在甲基纖維素中傳代培養(yǎng)14天,并評估CFC。(E)通過多重分析物測定進行細胞因子檢測。
白血病干細胞仍然附著在內皮細胞上
基于上述結果,表明內皮細胞和CML原始細胞之間直接接觸的重要性,因此接下來專注于直接接觸共培養(yǎng)。實驗觀察到,在共培養(yǎng)3天后,檢測到兩種不同的造血細胞:一部分由直接附著在內皮上的造血細胞(cc貼壁)組成,占總細胞的15.9%,第二部分留在共培養(yǎng)的上清液中(cc非貼壁),占細胞的84%(圖2 a、b)。有趣的是,這些比例在正常造血細胞的培養(yǎng)中有很大的不同(圖2 a),其中附著在內皮上的細胞數量較多(40.2%)。
當在每個共培養(yǎng)組中分析細胞免疫表型時,以不同的頻率檢測到干細胞、祖細胞和成熟細胞(圖2 c、d)。在貼壁部分中,16%,61% 和 22% 分別顯示干細胞,祖細胞和成熟細胞免疫表型。在非貼壁部分中,具有干細胞,祖細胞和成熟細胞免疫表型的細胞百分比分別為9%,74% 和17%。值得注意的是,Lin-CD34+ CD38+ 細胞的增加與評估的CFC數量相關(圖2 e)。
考慮到CD26已被作為是 CML干細胞的特異性標志物,因此在共培養(yǎng)的總造血細胞以及直接接觸共培養(yǎng)物的貼壁和非貼壁組中評估了其表達。圖2 f顯示,在EC存在3天和6天后,lin-CD34+ CD38- CD26+ 細胞的水平分別增加50%和120%。與這一結果一致的是,3天后在附著和非附著到內皮的細胞中檢測到CD26的表達(圖2 g),而成熟細胞的數量(CD34- Lin+,圖2 d)和骨髓細胞(CD14+,圖2 h)細胞減少。
當使用MEG-01 CML細胞系(人成巨核細胞白血病細胞系)時,也觀察到了類似的結果。事實上,干細胞群優(yōu)先富集貼壁部分(從0時的0.25% 到共培養(yǎng)3天后的1.34%)。這些結果表明,在培養(yǎng)系統(tǒng)中,分化和未分化的CML細胞可能對內皮細胞具有不同的親和力。
圖2 CML原始細胞對內皮微環(huán)境具有不同的親和力。
(A)CML和NBM接觸共培養(yǎng)中貼壁和非貼壁造血細胞的百分比。(B)與貼壁(右)和非貼壁(左)細胞組共培養(yǎng)的代表性照片。(C)代表性點圖和(D)在實驗開始(零時間)和三天后不接觸(對照)或存在EC時,分別分析貼壁和非貼壁部分部分的不同CML種群的百分比。(E)共培養(yǎng)三天后,將3000個造血細胞在甲基纖維素中傳代培養(yǎng)14天并評估CFC。(F)CML干細胞CD26+ 在共培養(yǎng)3天和6天后進行評估,以及(G)貼壁和非貼壁部分。(H)CD14+ 髓系細胞的百分比。
與EC共培養(yǎng)可調控CML LSC的增殖狀態(tài)
為了確定EC在CML增殖和干細胞免疫表型保留中的作用,在24、48和72 h用CFSE多重染色跟蹤CML 細胞(CD45+)和干細胞(CD34+ CD38-)群,并在EC存在下共培養(yǎng)3天后跟蹤原始免疫表型標記。
圖3表明,在MEG-01細胞系的總CML群中,保持附著在EC上的部分具有最高的增殖潛力(圖3 a,紅色直方圖),與細胞分裂指數的顯著增高相關(圖3 b)。在原代CML細胞總群中觀察到相同的結果(圖3 d,紅色直方圖和3 e),但在正常骨髓細胞中未檢測到,其中貼壁和非貼壁細胞顯示出相似的增殖,也具有相似的細胞分裂指數。
當跟蹤來自MEG-01細胞系(CD34+ CD38-)和一個CML原代樣品(lin-CD34+ CD38-)的干細胞群時,相對于非貼壁細胞,粘附在內皮層的部分觀察到更多的細胞分裂(圖3 a、d)。這種增殖能力比之前描述的CML細胞總數更明顯。與這一結果一致,MEG-01細胞的貼壁部分的細胞分裂指數高于非貼壁部分的干細胞(圖3 c)。此外,在保持粘附于EC上的CML原代細胞樣品中,具有干細胞和祖細胞免疫表型的細胞總數相對于CML對照中的初始數量增加了4倍和1.7倍(圖3 f、g)。這些結果表明,白血病干細胞具有在內皮微環(huán)境中保留和增殖的特殊能力,即使它們存在于貼壁部分中。
為了驗證與EC接觸的Lin-CD34+ CD38- 的增殖能力,在每次共培養(yǎng)結束時評估細胞周期狀態(tài)。結果表明,與EC接觸72 h后,G0期貼壁細胞數量相對于0時增加5倍,而S/G2/M期數量減少。相反,非貼壁部分的細胞增殖期(S/G2/M)增加(圖3 h、i)。這些結果與正常骨髓細胞的結果不同,其中靜息細胞群在共培養(yǎng)前后保持相似,表明這種行為是CML細胞獨有的,并且取決于細胞接觸。
有趣的是,G0 期粘附在EC上的細胞中有29.5% 顯示出干細胞表型,相比之下,非粘附部分中只有 2.7% 的G0細胞顯示出干細胞表型(圖3 j)。此外,在活躍的細胞周期階段(S/G2/M)未觀察到具有干細胞表型的細胞,其中最高百分比(90%)對應于祖細胞(圖3 j)。
這些結果表明,內皮微環(huán)境可以誘導CML干細胞的增殖和/或靜息,這可能與兩個細胞系之間建立的相互作用類型有關。
圖3 內皮微環(huán)境可以誘導CML干細胞的增殖和細胞周期停滯。
(A)來自MEG-01細胞系或(D)原代CML樣品的總或干細胞群中培養(yǎng)24,48和72小時的CFSE測定的代表性直方圖。MEG-01細胞系(B)群體和(C)干細胞群(CD38 + CD34-)在共培養(yǎng)24、48和72小時時的細胞分裂指數。(E)共培養(yǎng)3天后的原代CML總細胞。共培養(yǎng)72小時后具有(F)干細胞(Lin-CD34+ CD38-)和(G)祖細胞(Lin-CD34+ CD38 +)免疫表型的細胞數量。(H)在不同共培養(yǎng)條件3天后一個CML樣品的代表性點圖。(I)細胞周期階段的倍數變化。(J)每個共培養(yǎng)條件和細胞周期階段不同造血亞群的百分比。
與EC共培養(yǎng)后改變細胞因子譜和Notch 表達
為了解釋白血病細胞在內皮微環(huán)境中的持久性,在共培養(yǎng)3天后分析了它們的細胞因子譜。圖4 a表明,與對照(無接觸共培養(yǎng))相比,可溶性因子(例如:IL-1a,IL-6和PIGF)顯著增加,這些因子與白血病有關,以犧牲正常的造血能力為代價。可能引發(fā)慢性炎癥并引起促白血病微環(huán)境的分子,如IL-8、TGF-b1、GM-CSF和MCP-1,也顯著升高。這種情況可能與觀察到的增殖有關,但不一定能解釋細胞的靜息。
考慮到在小鼠模型中粘附分子(如Notch1及其配體)參與CML干細胞和祖細胞的維持,因此實驗分析了共培養(yǎng)組、MEG-01細胞系和內皮細胞中Notch1、Jagged 2 和DLL4的表達。結果發(fā)現,共培養(yǎng)72小時后,白血病細胞和內皮細胞中Notch-1和 Jagged-2 表達增加(圖4 b)。該時間點(72小時)與細胞周期G0期白血病細胞停滯的時刻相關,盡管肯定還有其他分子參與其中,但這項研究的結果表明,在人類CML中,內皮微環(huán)境為維持白血病造血創(chuàng)造了合適的場所,并且干細胞的靜息和增殖,即使在粘附條件下,也可能與通過直接接觸和可溶性因子分泌物建立的通訊有關,這會導致白血病的持久性。
圖4 與EC共培養(yǎng)后的細胞因子譜和notch 表達。
(A)共培養(yǎng)3天后評估共培養(yǎng)上清液中的細胞因子濃度。(B)采用流式細胞術分析共培養(yǎng)24、48和72h后內皮細胞和MEG-01細胞系中Notch1、Jagged-2 和DLL4的表達。
總之,這項研究表明,原始CML細胞和正常內皮細胞之間的共培養(yǎng),沒有任何額外因素的情況下,產生了一個微環(huán)境,通過它們的靜息狀態(tài)、增殖和分化,允許原始CML細胞在體外的維持,這似乎與炎癥環(huán)境的產生有關,以及它們自身的粘附能力,可能涉及 Notch1-Jagged2 軸。在這種情況下,有必要使用源自CML骨髓的內皮細胞來評估這些相同的生物效應,其中觀察到的效果可能更大,因為內皮細胞可能已經具有功能改變。
參考文獻:Torres-Barrera P, Moreno-Lorenzana D, Alvarado-Moreno JA, García-Ruiz E, Lagunas C, Mayani H, Chávez-González A. Cell Contact with Endothelial Cells Favors the In Vitro Maintenance of Human Chronic Myeloid Leukemia Stem and Progenitor Cells. Int J Mol Sci. 2022 Sep 7;23(18):10326. doi: 10.3390/ijms231810326. PMID: 36142235; PMCID: PMC9499491.
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