马克斯·普朗克免疫学和表观遗传学研究所及苏黎世联邦理工学院的研究人员近日绘制了首张综合图谱，详细描绘了人类血液干细胞在衰老、特化或癌变过程中的代谢和分子变化。

这项开创性研究凭借灵敏的低起始量技术，确定营养物质胆碱在维持年轻干细胞特征方面发挥关键作用。研究成果发表在《Nature Cell Biology》杂志上，为通过营养干预和治疗手段维持血液系统的健康指明了方向。

造血干细胞（HSC）是隐藏在骨髓中的稀有细胞。它们拥有独特的能力，能够生成各种类型的血细胞，从携氧的红细胞到抗感染的免疫细胞。造血干细胞对维持人体健康至关重要。

然而，随着年龄增长或罹患白血病等疾病，其非凡的再生能力可能下降或受损，导致血液和免疫系统容易受到攻击，尤其是在压力环境下。那么，造血干细胞在此过程中发生了怎样的变化？

研究人员首次提供了这些稀有细胞中代谢和分子程序的综合图谱，揭示了这些内部特征如何随着细胞特化、衰老或癌变而发生变化。

当然，研究这些细胞并非易事。到目前为止，深入了解造血干细胞的代谢特征一直是一项巨大的挑战。由于造血干细胞很稀少，再加上人类骨髓样本很难获得，开展全面分析一直困难重重。

共同第一作者、马克斯·普朗克研究所的Maria-Eleni Lalioti说：“为了克服这个问题，我们开发了高度灵敏的技术，能够从极少量的细胞中获取有意义的代谢数据。因此，我们能够用比传统方法少得多的细胞来测定数百种代谢物和脂质。”

研究人员将流式细胞术（FACS）与液相色谱-质谱（LC-MS）分析相结合，优化了一种低起始量的非靶向脂质组学流程。他们通过FACS分选了5,000个造血干细胞及其下游前体细胞。

通过将收集到的代谢数据与基因表达谱相结合，研究团队建立了细胞内化学过程和基因活性的综合“图谱”，进而追踪血液干细胞在健康、衰老和疾病的不同阶段的变化。

“例如，我们发现人类干细胞的代谢活性低于更成熟的后代。能量产生、构建细胞结构和合成氨基酸所需的代谢物更少。这与干细胞通常处于静息状态以保护自身及其功能的现状一致，”Nina Cabezas-Wallscheid 教授说道。她是文章的共同通讯作者。

研究人员还惊讶地发现，胆碱是一种干细胞促进剂。作为一种必需的营养素，胆碱是存在于鸡蛋、大豆和鱼类等食物中。健康的干细胞具有较高的胆碱水平，但随着细胞分化，胆碱水平会下降，并随着年龄增长和白血病的发生而进一步下降。

共同第一作者Mari Carmen Romero-Mulero表示：“我们的实验表明，补充胆碱可以促进脂质生成，并有助于维持更年轻的干细胞样特征，这表明特定的营养素可能是维持干细胞功能的关键。”

这项研究还揭示了血液干细胞脂质组成的变化，这种变化会改变细胞膜结构，并影响其对周围环境的感知和响应。研究人员认为，这些发现为探索代谢如何塑造细胞的内部机制及其与环境的相互作用提供了新的方向。

这项研究清楚地表明，人类血液干细胞在特化、衰老或患病的过程中会发生根本性的代谢变化。这些变化可以重塑它们的身份和行为。

“这就引发了一些有趣的问题：针对性的营养干预是否有助于维持干细胞健康，以及代谢干预是否能支持白血病治疗或促进健康衰老？”Nina Cabezas-Wallscheid 说道。 

通过揭示代谢如何引导人类血液干细胞的命运，这项研究为未来旨在维持干细胞功能的疗法奠定了基础，有望帮助我们的血液系统更长久地保持健康。 

参考文献

Differentiation, ageing and leukaemia alter the metabolic profile of human bone marrow haematopoietic stem and progenitor cells