随着新冠肺炎的全球蔓延，以干细胞为主的一系列科技攻关项目受到社会各界广泛关注，干细胞技术在这次疫情中展示了优秀疗效，并得到国家和政府的大力支持。
本系列撰文《干细胞的三大机制》将为大家解读干细胞对抗疾病的背后机理，看干细胞如何运用它的多向分化、旁分泌、归巢性三大机制来对抗疾病，发挥更有效的临床应用，让我们一起探索干细胞的背后秘密。
有很多朋友，一边支持干细胞这项生物科技翘楚，一边也会怀疑，“无论我身体哪里有毛病，是肝脏，关节，还是卵巢，为什么每次都是静脉回输干细胞？那这些通过静脉进入我身体的干细胞，真的在我体内发挥功能了吗？”
这些朋友的质疑并不少见，毕竟干细胞技术不仅先进，有时也确实透露着“神奇”。
无论是“骨髓移植”（造血干细胞移植），还是静脉回输间充质干细胞，干细胞在体内都需要运输，需要被调动到受伤的组织周围发挥功能。因此，干细胞需要一个帮它导航定位的“GPS”，而这种能力就是干细胞的“归巢效应”。
干细胞正确的“归巢”，即“不用外力刻意，就将干细胞送到它该去的地方”，干细胞自己可以找到自己的“家”，这就是我们说的“归巢”：干细胞在外周血溜达一圈之后，能够发现并驻足在干细胞微环境“niche”中安居乐业。
“归巢”这个词，一直以来都只是一个概念，绚烂而空洞。归巢，归哪里的巢？归受伤组织还是特定组织？归巢的具体机制是什么？归巢需要别人的帮助吗？
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归巢的过程
终于，2018年11月20日，国际期刊《nature》以封面形式发表了震惊干细胞领域的关键研究结果，即干细胞“归巢”的全过程，并找到了影响干细胞归巢的关键因素，先导细胞[1]。
过去，很多对干细胞“归巢”的研究都是在体外做的，这样获得的结果只能是对生命过程的推断。而想要在真正活体内看到干细胞的归巢，则是一个十分艰难的过程。
幸运地是，科学家们找到了一个活体观察干细胞归巢的“窗口”：斑马鱼胚胎中的尾部造血组织CHT，一个功能类似人类胎儿肝脏的器官，是斑马鱼新生干细胞首先归巢的地方。
CHT长不过300微米，厚度只有80微米，正好可以被高分辨率的激光共聚焦扫描显微镜透彻观察。观察中，干细胞的归巢之路是这样的：斑马鱼胚胎中，在心脏泵出的血液冲刷下，干细胞在主动脉血管壁侧壁诞生了。它循着血液在体内流转，当它经过CHT时，这里的血管内皮细胞上有一种粘附分子，让高速奔流的干细胞降速，减速之后的干细胞来到血管的“三岔路口”，遇到在路口巡逻的“先导细胞”。
先导细胞是巨噬细胞的一种亚型，以前未被报道，带有血管细胞粘附分子VCAM-1，它就像魔术扣一样，对准干细胞身上的另一半魔术扣“ITGA4”结合，将干细胞带到附近的静脉微血管中，在需要干细胞的地方发挥功能。这就是干细胞“归巢”的全过程。
这篇论文，不仅仅清晰观察并描述了干细胞归巢的全过程，也揭示了干细胞归巢的具体机制，包括“先导细胞”如何参与这个过程的。
接下来，将图文并茂地介绍一下归巢的机制。
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归巢的机制
具体来看，VLA-4整合素（包括a4（itga4）和b1（itgb1）两个亚基），是早期胚胎发育中最重要的干细胞表面标记，而在小鼠以及斑马鱼中，a4（itga4）亚基更是在胚胎肺造血系统中发挥重要作用，当抑制a4（itga4）亚基之后，会干扰干细胞归巢和驻足的过程。
如上图a，左边为对照组，右边为抑制a4（itga4）亚基的斑马鱼，可以看出，对照组胚胎的干细胞能够很好得归巢以及驻足在“niche”（干细胞巢），停留时间长达30分钟。而当抑制a4（itga4）亚基之后，可以明显看到黄色箭头所指示的干细胞的“不断流动”，却很少驻足在白色箭头所示的“niche”中。
上图b是“niche”的3D示意图，当干细胞识别到此处是归巢地之后，干细胞会从血管内皮细胞中穿过，驻足在尾静脉毛细血管丛，避免被血液冲刷。
研究发现了干细胞归巢当中，在干细胞自身很重要的一个标签，ITGA4。这个标签就像是安装在干细胞身上的GPS，帮助干细胞纵观全局，掌握信息。当然，有了GPS还不够，干细胞还需要目的地的“引导”，才能够顺利移动，被带去需要干细胞的目的地。
接下来的实验证明了和ITGA4配对合作的另一个蛋白，VCAM-1。
发现VCAM-1+这个配对的“先导细胞”，是非常合理的，原因在于VCAM-1（血管细胞粘附分子-1）正是VLA-4的常见配体，而配体的概念就是“钥匙和孔”，和干细胞归巢中的“魔术扣”环环相扣，不谋而合，因此科学家自然快速想到来验证这一猜想。
结果发现，如上图，绿色荧光标记了CHT中的巨噬细胞，洋红色荧光标记的是VCAM-1阳性的细胞。可以看到，白色箭头表明所有的VCAM-1+细胞都是CHT中的巨噬细胞，黄色箭头表明，不是所有CHT的巨噬细胞都是VCAM-1+细胞（大概只有45%是VCAM-1+），充分不必要条件。
这能得到一个很简单、客观的分析结果，CHT中的巨噬细胞，只有一部分是VCAM-1+细胞，这部分细胞存在的意义，和引导干细胞归巢密不可分。
进一步，如上图所示，我们验证了这部分VCAM-1+巨噬细胞，在CHT中的活动和驻足情况，与干细胞在“niche”中的驻足情况一致，即VCAM-1+细胞和干细胞在相同的时间，以相同的路径，出现在相同的位置。
到这里，我们基本上可以确定VCAM-1+细胞就是干细胞归巢的“先导细胞”，依赖的是VCAM1-ITGA魔术扣的方式。
最后，通过活体同时观察100个干细胞和“先导细胞”VCAM-1+细胞的集群活动，如上图所示，我们可以看到，每一对干细胞和“先导细胞”都能平均保持30分钟左右的团体活动，以相同的运动轨迹一同滞留在CHT区域，等待安排。
在整个活体观察实验中，我们总共统计了长达48-60 hpf（斑马鱼受精后小时数）的干细胞“归巢”活动，并发现了与之协同配合的“先导细胞”的活动。虽然不清楚具体将干细胞引导至不同“niche”的机制，但干细胞受“引导细胞”指引，在奔腾的血流中驻足停留，在“niche”中等待进一步信号，是比较清晰的途径，这也是干细胞领域在活体层面证明了干细胞“归巢”的客观证据。
因此，在干细胞归巢机制的加持下，无论身体哪里出现了问题，都可以静脉注射，一次性方便、安全地将大量干细胞输送至身体损伤的部位，而不用担心刚输入就消失了。通过静脉输入的干细胞，也确实会在受损部位发挥积极的修复功能，这也在理论层次上正式解释了干细胞静脉输注的科学原理。
随着干细胞理论的日趋完善，干细胞实际操作会更加科学准确。（本文来源：华夏源干细胞）
参考文献：
[1]Dantong Li, etc. VCAM-1+ macrophages guide the homing of HSPCs to a vascular niche[J].nature,2018.
