点评 | 黄河（浙大一院）、杨永广（吉林大学）、Lai Guan Ng（上海市免疫治疗创新研究院）责编 | 酶美 造血干细胞移植（HSCT）治疗是通过输注造血干祖细胞（HSPCs）和单个核细胞，重建移植患者的血液系统进而维持终生造血，已成为多种良恶性血液系统疾病和免疫疾病的常规治疗方式。通常自体HSCT（auto-HSCT）患者可在6-12个月后完成免疫系统重建，而接受异基因HSCT（allo-HSCT）的患者免疫环境更为复杂，重建过程同时受供受者、受者原发疾病以及移植相关等多因素影响，且移植后患者需要经历长时间免疫功能缺失，T细胞和B细胞缺乏甚至可超过2年【1】，极大的影响患者生存和生活质量。目前，对于移植造血重建及免疫重建的探索仍局限于细胞数量恢复与预后的相关性以及auto-HSCT体内HSPCs的长期重建【2, 3】。然而，对HSCT尤其是allo-HSCT后患者的各类细胞生态重建及调控机制亟待探索；同时，移植物功能不良（PGF）、移植物抗宿主病（GVHD）等严重并发症仍然缺乏灵敏的预测手段，极大限制了allo-HSCT的应用。 2023年3月18日，中国医学科学院血液病医院（中国医学科学院血液学研究所）程涛教授牵头，联合基础、临床、生信平台等多个团队开展科研攻关，在 Science Immunology 在线发表论文：Single-cell dissection of human hematopoietic reconstitution after allogeneic hematopoietic stem cell transplantation。首次刻画了患者经allo-HSCT后体内HSPCs和包括中性粒细胞各阶段在内所有成熟细胞的造血再生规律，详细解析了HSPCs在allo-HSCT各阶段的精密调控，为应对allo-HSCT后可能出现的PGF、免疫重建差异和GVHD等提供了可靠的参考基准。 此前，程涛教授团队率先揭示了小鼠造血干细胞（HSC）移植后HSC早期生物学行为的“黑匣子”【4】，随后该团队完成了对人成熟血细胞、胚胎不同发育阶段、成体不同年龄阶段HSPCs的单细胞转录组图谱的绘制，揭示了人稳态下造血的时空规律【5-7】。然而，移植患者的重建生态是否与小鼠模型一致仍未可知。基于前期的研究基础，该团队进一步完成了患者从HSCT后第一天到一年的追踪随访，首次对移植患者的生态重建进行纵向剖析。 该研究利用了单细胞标记逆转录RNA测序法（STRT-seq）和10×Genomics平台的3’端单细胞转录组测序方法，分别对经流式分选后的Lin-CD34+细胞和总有核细胞（TNCs）进行建库及深度测序，并基于转录组特征对Lin-CD34+细胞分群：共分为HSC/多潜能祖细胞（MPPs），淋系启动的多能祖细胞（LMPPs），巨核红系祖细胞（MEPs），嗜酸-嗜碱-肥大细胞祖细胞（EBMs），B-NK祖细胞（BNKs），单能中性粒细胞祖细胞（NePs）和基质细胞（Stromal cells）等10群。首先分析了HSPCs在组分上的动力学变化，结果显示供者采集物（Donor）中HSC/MPPs和LMPPs比例显著增加，其占比在移植重建过程中逐渐下降；Donor和移植后第一天（d1）的HSPCs组分更为接近，造血重建时（d14）和移植后30天（d30）骨髓（BM）中HSPCs构成相似；自移植后60天（d60）起，移植患者HSPCs组成开始出现差异，主要是BNKs所致。 随后，该研究利用全外显子测序中的单核苷酸多样性信息，对6名移植患者移植后的BM/外周血（PB）细胞进行单细胞转录组嵌合分析。在随访中，患者遗留细胞集中于移植后第一天（d1），Lin-CD34+细胞中约有1%的细胞为受者遗留细胞，其中85.7%为基质细胞，TNCs中主要是以中性粒细胞和T细胞为主，建立了基于单细胞测序的供受体区分方法。在排除了受者遗留细胞的影响后，接下来研究人员对HSC/MPPs、寡能祖细胞和单能的中性粒细胞祖细胞进行详细阐释。研究发现，HSC/MPPs表现出巨核-红系偏倚和强烈的增殖倾向。与HSC/MPPs一致，d1捕获到的寡能祖细胞（MEPs、GMPs和EBMs）同样具有强烈的增殖倾向，并在转录组上表现为谱系分化受抑的模式。此外，该研究发现了具有独特免疫调控表达谱的粒系祖细胞——S100Ahigh Neus（包含S100Ahigh Neu1和S100Ahigh Neu2），其在粒细胞集落刺激因子（G-CSF）动员后富集，同时能够在移植患者中持续存在。前瞻性临床队列（n=32）提示，发生aGVHD的患者（n=17）的S100Ahigh Neu2输注量明显少于未发生aGVHD的患者（n=15，P<0.01）。 综上，该研究成果为移植后HSPCs的动力学重建提供了全面的见解和参考，为深入理解allo-HSCT的移植生态提供了宝贵的证据。同时，该研究提出了移植后免疫重建差异的时间窗口和识别aGVHD高风险患者的潜在指标，有助于临床诊疗中对移植患者发生重建不良及aGVHD进行早期预警和干预。 中国医学科学院血液病医院（中国医学科学院血液学研究所）程涛教授、郝莎副研究员和姜尔烈主任医师为该文共同通讯作者。中国医学科学院血液病医院（中国医学科学院血液学研究所）博士生霍莹莹、博士后武林杰、庞爱明主任医师、博士生李清和科研助理洪芳为并列第一作者。 专家点评黄河（浙大一院，教授） HSCT是恶性血液病、造血功能衰竭性疾病、遗传性血液病和代谢性疾病的重要治疗方式，是最为经典和成熟的干细胞临床应用方案，使数以百万计的患者从中获益。移植后造血及免疫重建是HSCT获得成功的重要基石。植入失败（GF）及移植后PGF是HSCT后可致死的严重并发症，常伴随感染及出血，严重影响移植预后。GVHD是allo-HSCT治疗后最易发生、最为严重的并发症之一，尤其是在单倍型造血干细胞移植（haplo-HSCT）中 GVHD发生率更高，严重影响患者的生存。因此，深入探索移植后造血重建，探索植入物功能不良及GVHD的发病新机制、治疗新靶点具有重要临床意义。 由中国医学科学院血液病医院（中国医学科学院血液学研究所）程涛教授牵头的研究，以获得性再生障碍性贫血行异基因外周血造血干细胞移植（allo-PBSCT）临床队列为研究对象，全面描述HSCT后造血细胞的动力学重建规律，为我们进一步研究GF、PGF等并发症提供了“全景式”的重要参照。既往HSCT造血重建过程中，临床医生更多的是关注中性粒细胞和血小板，但这一研究提示HSC/MPPs红系分化倾向发生更早，不仅更新了人们HSPCs分化的认识，更对于红系发育障碍（例如移植相关性纯红再障）的研究提供思路。该研究的另一重要发现，发现具有免疫调控功能的S100Ahigh Neus，并发现急性GVHD（aGVHD）患者的S100Ahigh Neu2输注量明显少于未发生aGVHD的患者。这一发现为GVHD发生机制的研究提供了新的线索， S100Ahigh Neus也许会成为GVHD发生风险的重要预测分子及治疗靶点。 总之，这一原创性的研究成果不仅填补了allo-HSCT后造血细胞重建动力学研究的空白，其研究成果临床转化也必将有助于提高HSCT的临床疗效。 专家点评杨永广（吉大一院，教授） Allo-HSCT在多种良恶性疾病中具有广阔的治疗前景。然而，HSCT成功的关键在于患者体内的免疫稳态重建，移植后的复发、重建不良、GVHD等并发症都与患者免疫稳态密不可分，因此，深入解析移植后的造血干祖细胞（HSPCs）重建的共性规律，对理解下游免疫细胞稳态重塑具有重要的指导意义。 程涛教授/郝莎团队与姜尔烈教授团队的合作，通过对行allo-HSCT的患者进行长达一年的随访，在单细胞尺度解析移植患者的巨核红系、髓系和淋系祖细胞从早期到长期的动态重建及相关调控。同时，在转录组和流式水平鉴定一群具有免疫调控特征的未成熟中性粒细胞（S100Ahigh Neu2），通过临床队列证实S100Ahigh Neu2水平与急性移植物抗宿主病（aGVHD）发生的相关性，从移植物组成角度关联aGVHD，从而实现研究结论向临床应用转化的跨越。另一方面，由于S100Ahigh Neu的免疫调控特性，其在移植物抗白血病效应以及移植后白血病复发中所发挥的角色，可后续在移植后免疫稳态小鼠模型如HLA-Tg小鼠模型中进一步完善，明确介导移植物抗宿主效应的关键因素。 该研究首次在移植后的造血干祖细胞层面，精确界定到移植后前30天的HSPCs保持较强的增殖倾向，将淋系祖细胞的重建差异时间关口前移至移植后60天。值得深思的是，在该研究所描绘的allo-HSCT动力学参考基线标准下，PGF及免疫重建不良的移植患者中是否具有不同分子特征和转录调控，从而利用相关干预靶点，预防PGF及免疫重建不良，也是移植领域中基础和临床侧重的探究方向。 本次发表的成果是在该团队小鼠造血干细胞移植及人稳态下造血的时空规律等研究基础上的进一步突破，为HSCT领域提供了宝贵的数据资源和重要参考。期待该团队后续更瞩目的研究成果。 专家点评Lai Guan Ng（上海市免疫治疗创新研究院，Shanghai Immune Therapy Institute (SITI)） 程涛团队对再生障碍性贫血患者接受allo-HSCT后的HSPC进行了转录分析。本研究全面概述了移植后HSPC重建的动力学，并发现免疫调节中性粒细胞祖细胞--S100A high Neus中性粒细胞可作为一项可靠的生物标志物，用于识别allo-HSCT后移植发生aGVHD的高风险患者。 多组学的进步有助于理解干细胞生物学，特别是造血干细胞及其干细胞微环境。大多数该类研究是在稳态条件下对临床前小鼠模型或人类样本进行的。而程涛团队在几个月内追踪了造血重建过程中移植HSPC的动态演变；这项研究的实验方法确立是团队的精湛杰作。基于转录组的细胞周期分析，程涛团队阐明了移植后第一个月细胞周期与谱系启动过程之间的微细调节，在移植后的早期阶段重启了MEPs增殖，并在一个月后多谱系启动。 这项工作的另一个关键发现是鉴定S100A高中性粒细胞群，特别是S100A high Neu 1和2，它们在供体G-CSF动员后出现，并且可以在移植后持续长达180天。未来的研究应调查这些中性粒细胞亚群的起源，以确定这些细胞是响应G-CSF动员而从不同的祖细胞发展而来的，还是处于诱导的功能状态。作者还证明S100A high Neu 2群体类似于髓源性抑制细胞（PMN-MDSC）。更有趣的是，这篇文章证据表明，S100A high Neu 2是 GVHD 高风险移植患者的生物标志物。总体而言，这项研究是科学界的重要资源：发现 S100A high Neu 2作为 GVHD 的生物标志物可对 HSPC 移植以及移植后 GVHD 高风险个体的分层管理具有重要意义。 In this paper, the group of Tao Cheng performed transcriptional profiling of HSPCs during the engraftment period after allogeneic transplantation in aplastic anemia patients. This study provided a comprehensive overview of the dynamics of allogeneic HSPC reconstitution and discovered that immunoregulatory neutrophil progenitors, S100Ahigh neutrophils, could serve as a reliable biomarker for identifying patients at high risk for developing aGVHD shortly after HSPC transplant. Multi-omics advancements have contributed to understanding stem cell biology, particularly hematopoiesis, and its niche. Most of these studies were conducted on preclinical mouse models or human samples under homeostatic conditions. The authors have tracked the dynamic evolution of transplanted HSPCs during hematopoietic reconstitution over a few months; thus, the experimental approach of this study constitutes a tour de force effort by Tao's team. In addition, based on their transcriptome-based cell cycle analysis, the authors provided evidence to illustrate the fine-tuning between the cell cycle and the process of lineage priming in the first month after transplantation, which allows the repopulation of MEPs at an early stage after transplantation and enhanced multi-lineage priming one month later. Another key finding from this work is the identification of S100Ahigh Neutrophil populations, specifically S100Ahigh Neutrophil 1 and 2, which emerge after G-CSF mobilization in the donor and can persist for up to 180 days following transplantation. Future research should investigate the origin of these neutrophil subsets to determine whether these cells develop from distinct progenitors in response to G-CSF mobilization or are in an induced functional state. However, the authors demonstrated that the S100Ahigh Neutrophil 2 population resembles myeloid-derived suppressor cells (PMN-MDSCs). Intriguingly, this article presented evidence that S100Ahigh Neutrophil 2 is a promising biomarker for transplant patients at high risk for GVHD. Overall, this study is a significant resource for the scientific community. The finding of S100Ahigh Neutrophil 2 as a biomarker for GVHD may have great implications for HSPC transplantation and the development of biomarkers for stratifying individuals at high risk for GVHD after transplantation. 原文链接：http://doi.org/10.1126/sciimmunol.abn6429
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参考文献
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