造血幹細胞移植（HSCT）已走過了60個年頭，超過100萬人得到治療[1]。雖然在過去的60年間，人們對HSCT背後生物學過程的認識已大大加深，基於HSCT平臺的各種細胞治療方案也不斷湧現，但是對於人體造血幹細胞來說，仍有很多問題困擾著它，那就是：
我是誰，我從哪裡來，我將走向何處，我的同伴到底有多少.........
是的，你沒聽錯，我們對於人體中，正在參與造血作用的造血幹細胞數量的瞭解，仍然是模糊的。
前段時間，來自英國桑格研究所Peter博士和劍橋大學的科學家一起，終於為我們揭曉了答案。他們用全新的方法，首次在人體內直接測得了造血幹細胞的實時數量在5萬-20萬之間，比以往預測的數量高了10倍以上，顛覆了我們對造血幹細胞的認知。此外，這個研究還讓我們有機會追蹤由疾病和衰老引起的幹細胞的變化，推動疾病的研究。
Peter博士
同時，他們運用的這種直接測量人體細胞數量和譜系的方法，將對再生醫學，幹細胞治療以及癌症研究產生深遠的影響。比如，弄清細胞治療為什麼在有些人身上有效，而有些人身上無效等等。這篇重要的研究成果發表在頂級學術期刊《自然》上[2]。
人體中每天都有無數的血細胞死去，同時又有相同數量的血細胞生成，以維持血液的平衡。如圖所示，這些不同分化程度的細胞，組成了一個層級分明的網絡，其中最底層的就是造血幹細胞。毫無疑問，造血幹細胞數量的穩定，是維持這個系統平衡的關鍵。
血細胞譜系
在動物中，科學家一般是將細胞標記後移植回動物體內，以此來估算造血幹細胞的數量。但是在人中顯然沒法這麼幹，目前，科學家是通過X染色體失活的模式（細胞在分裂過程中，X染色體化慢慢失活），計算造血幹細胞的複製速率，從而推斷造血幹細胞的數量[3]，還有通過端粒長度來計算的，等等。
不過這些方法都不那麼直接，準確性就不敢保證了，後面也證實這些方法誤差確實有點大……
怎麼辦呢？這麼重要的問題哪能一直晾著。
造血幹細胞不好進行“人口調查”的原因，主要在於其在人體骨髓和外周血中都有分佈，且數量極其稀少，通過“抽查”無法準確估算其總體數量，而進行“人口普查”顯然也不現實。
既然直接調查造血幹細胞本身行不通，那能否通過其“子孫之口”順藤摸瓜查清其數量呢？畢竟在血細胞的世界裡，繁殖的權利是公平的，子孫的數量和繁衍代數能直接反應祖先的規模。而造血幹細胞的子孫就在外周血中，很好抽查。
Peter博士想到了體細胞突變。在人體細胞增殖過程中，DNA會以一定的頻率發生突變[4]，並一代代積累，癌細胞就是這麼來的[5]。不僅癌細胞，正常細胞的DNA突變也會積累。祖輩的突變會被下一代繼承，通過相同的突變標誌可以確認“親緣”關係。而下一代細胞也會產生新的突變，而這些多積累的突變，就可以用來計算“繁衍”代數了。
那在人體中到底怎麼操作呢？Peter博士借鑑了生態學中常用的測種群密度的方法。生態學家在測量某個地方動物的種群，比如鹿群的密度時，會先抓一定數量的鹿，打上標記，然後再放回去。過一段時間後再抓一定數量的鹿，統計其中被標記的鹿的比例，從而計算整個地區鹿的數量。
當然，在人體中我們沒法直接這麼幹，不過可以借鑑這個思想，稍稍變通一下。
科學家是這麼幹的，也分為兩個階段。第一階段是捕獲，
他們先從一位成年男性的骨髓和外周血中提取了140個造血幹細胞和造血祖細胞，分別在體外培養成集落。不過沒有再移植回人體內，而是直接進行了全基因組測序，鑑定了體細胞突變位點，可以認為是給鹿打的標記。
實驗流程
第二階段就是再捕獲，分別在抽取造血幹細胞後的3個時間點，抽取這位男性的外周血細胞，包括粒細胞，T淋巴細胞和B淋巴細胞。
因為這些外周血實際上就包含之前那些造血幹細胞的後代，所以部分外周血細胞留有這些造血幹細胞的突變標記，在外周血細胞中統計帶有那140個造血幹細胞的突變標記，計算其所佔的比例，就能估算生成血細胞的造血幹細胞的數量。
當然，計算過程實際上相當複雜，涉及到分子進化樹的構建。研究者們通過進化樹，得到血細胞更新的速率，用計算機進行模擬，計算得知，參與造血作用的幹細胞數量在44000到215000之間，置信度在90%以上。
幹細胞規模和生產粒細胞的速率
這項研究首次直接在人體中測得了正在參與造血作用的幹細胞的數量。在生命早期，人類的幹細胞數量隨著年紀增長而穩定增加的，到了青春期後，幹細胞數量達到最高，並一直穩定在這個水平。所以，這個數據是很有代表意義的。
同時，研究者們還根據進化樹，準確得知了粒細胞，B淋巴細胞以及T淋巴細胞之間分化的時期，加深了對免疫系統發育的瞭解[6]。這種方法還有助於我們研究癌症發生和發展的過程，加深對癌症這個敵人的瞭解，以找到更多對付它的方法。
人體中有近40萬億細胞，各種細胞之間的關係錯綜複雜。對於絕大多數細胞，我們還沒有弄清到底哪種細胞是由誰分化而來的，不同類型的細胞之間到底有什麼關係。
這些認識的盲區直接阻礙了再生醫學以及細胞治療的發展，因為很多情況下，根本不清楚植入的細胞到底會朝哪些方向分化，以什麼速率增殖 。若這些答案得到揭示，那幹細胞治療碰到的諸多問題將迎刃而解。
該研究所用的方法，將為我們打開一扇更深入全面研究人體的大門，與現在發展如火如荼的單細胞測技術一起，解開發育的奧秘，指導再生醫學和疾病治療，最終造福於全人類。
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參考文獻
[1] Chabannon, C., Kuball, J., Bondanza, A., Dazzi, F., Pedrazzoli, P., Toubert, A., ... & Bonini, C. (2018). Hematopoietic stem cell transplantation in its 60s: A platform for cellular therapies. Science Translational Medicine, 10(436).
[2]https://www.nature.com/articles/s41586-018-0497-0
[3] Catlin, S. N., Busque, L., Gale, R. E., Guttorp, P. & Abkowitz, J. L. The replication rate of human hematopoietic stem cells in vivo. Blood 117, 4460–4466 (2011).
[4] Welch, J. S. et al. The origin and evolution of mutations in acute myeloid leukemia. Cell 150, 264–278 (2012).
[5] Nik-Zainal, S. et al. The life history of 21 breast cancers. Cell 149, 994–1007 (2012).
[6] Schlenner, S. M. et al. Fate mapping reveals separate origins of T cells and myeloid lineages in the thymus. Immunity 32, 426–436 (2010).
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本文作者 | 低溫藝術家
“雖然比已知數目多了十倍，可還是少啊，大家一定要珍惜，我們之前就說過，喝酒會誘發造血幹細胞突變”
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