人源骨髓微环境类器官模型构建及其在造血辐射综合征疾病建模与治疗应用中的突破

本研究针对造血急性辐射综合征（H-ARS）缺乏生理相关性人类模型的瓶颈问题，开发了人诱导多能干细胞（hiPSCs）来源的骨髓类器官（hBMOs）模型。该模型成功模拟了辐射诱导的造血细胞损伤微环境，并证实其移植可显著提高致死剂量辐照小鼠的生存率（70%），为H-ARS机制研究和细胞治疗提供了创新平台。

　　

随着核能在能源、医疗和航天领域的广泛应用，电离辐射暴露引发的健康风险日益受到关注。造血急性辐射综合征（H-ARS）作为全身辐射暴露最严重的并发症之一，其特征是骨髓造血功能衰竭和免疫系统崩溃，目前美国食品药品监督管理局（FDA）批准的药物治疗方案有限，且无法完全恢复造血功能。传统研究依赖动物模型和二维细胞培养，但由于物种差异和模型局限性，难以准确模拟人体骨髓复杂的微环境结构。因此，开发能够真实模拟人类骨髓生理结构和功能、适用于疾病建模和药物筛选的体外模型，成为辐射防护和再生医学领域的迫切需求。

在这项发表于《Biomaterials》的研究中，来自首尔女子大学的科研团队成功构建了人诱导多能干细胞（hiPSCs）来源的骨髓类器官（hBMOs），并系统评估了其在H-ARS疾病建模和治疗应用中的潜力。研究人员采用阶段性中胚层分化策略，通过四阶段分化 protocol 将hiPSCs分化为具有基质-血管结构的成熟类器官，并运用单细胞RNA测序（scRNA-seq）、流式细胞术、免疫荧光染色等多种技术手段对类器官的细胞组成和功能进行了全面表征。

研究的关键技术方法包括：利用hiPSCs通过四阶段分化 protocol 构建hBMOs；采用scRNA-seq分析类器官发育过程中的细胞异质性；通过γ射线辐照（3/6/9 Gy）建立H-ARS体外模型；使用免疫缺陷NSG小鼠进行体内移植治疗实验。

研究结果显示，hBMOs成功重现了人类骨髓的关键特征：

3.1. hBMOs的生成与表征

研究人员通过四阶段分化 protocol 成功从hiPSCs获得直径约1196.4 μm的成熟类器官。RT-qPCR分析显示，类器官中中胚层标志物（Brachyury、PRRX1、FOXF1）、血管标志物（CD144、VEGFR2、FLT4）和造血标志物（CD34、CD45、CD11b）表达显著上调。流式细胞术鉴定出14.8%的造血干/祖细胞（HSPCs，Lin^-CD34⁺）、36.2%红细胞（Lin^-CD71⁺CD235a⁺）和16.7%间充质基质细胞（MSCs）。免疫荧光染色证实CD34⁺造血细胞与CD144⁺内皮细胞的共定位，模拟了体内骨髓微环境的空间结构。

3.2. CD34⁺细胞的多向分化潜能

从hBMOs中分选的CD34⁺细胞高表达CD34、CD45和c-Kit基因。集落形成单位（CFU）实验显示这些细胞能够生成CFU-GM（46.55%）、CFU-E（25.2%）、BFU-E（16.05%）和CFU-GEMM（12.2%）等多种造血集落，证明其具有多谱系分化能力。

3.3. 单细胞转录组解析细胞异质性

scRNA-seq分析揭示了hBMOs中包含15个转录 distinct 的细胞簇，包括间充质、造血、内皮和上皮 lineages。关键标志物分析证实了造血干细胞（SPINK2、CD34、CYTL1）、髓系细胞（TREML1、ITGA2B）、巨核细胞（PPBP）和淋巴细胞（EBF1、TOX）的存在。间充质区室包含软骨形成前体（HAPLN1、SOX6）、周细胞（MCAM、PDGFRB）和血管平滑肌细胞（MFAP4、COL3A1），内皮区室则包含动脉内皮细胞（EFNB2、SOX17）和成熟内皮细胞（GJA4、CXCR4）。

3.4. H-ARS疾病建模

γ射线辐照（3/6/9 Gy）诱导了hBMOs的剂量依赖性损伤：H&E染色显示细胞数量减少和结构破坏；TUNEL检测表明凋亡细胞显著增加；cleaved Caspase-3染色和AIF、BAD基因表达证实了caspase依赖和非依赖的凋亡通路激活；γH2AX染色显示DNA双链断裂增加。3 Gy辐照导致CD34⁺、CD45⁺和CD11b⁺细胞显著减少，成功模拟了H-ARS的核心病理特征。

3.5. hBMOs移植的治疗效果

在3 Gy全身辐照的NSG小鼠模型中，hBMOs移植组在第50天的存活率达到70%，显著高于未治疗组（全部死亡）。流式细胞术检测到0.16%的人CD45⁺细胞嵌合，组织学分析显示骨髓细胞结构恢复和hCD45、hCD20阳性细胞存在，证明人源细胞成功植入并促进造血恢复。

研究结论与讨论部分指出，该研究建立的hiPSCs来源hBMOs模型首次在体外成功模拟了H-ARS的病理特征，并证实了其移植治疗潜力。该模型不仅包含了多种骨髓基质细胞成分，还支持多谱系造血分化，为研究辐射诱导的造血损伤机制提供了前所未有的平台。特别是scRNA-seq分析揭示了类器官中复杂的细胞异质性和细胞间相互作用，为理解骨髓微环境的组成和功能提供了深入见解。

该研究的重要意义在于：首先，hBMOs模型克服了传统动物模型的物种差异限制，提供了真正的人类骨髓微环境模拟系统；其次，hiPSCs来源的特性使其具备个性化医疗应用的潜力，可用于患者特异性疾病建模和药物筛选；最后，研究证实了hBMOs移植在体内的治疗效力，为开发基于类器官的细胞治疗策略提供了概念验证。

尽管研究在长期培养稳定性和更广泛的疾病建模验证方面存在局限，但这项工作的创新性和实用性为辐射防护、造血系统疾病研究和再生医学领域提供了强有力的技术平台和理论依据，标志着类器官技术在转化医学应用中的重要进展。