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針對上述問題，浙江大學錢鵬旭教授旨在探討 FMT 對急性髓系白血病（AML）細胞和造血干細胞的不同作用，以及 FMT 是否能緩解應激的造血干細胞，促進造血再生。在應激條件下，如體外培養(yǎng)、化療、放療和感染，HSCs會積極分裂以維持血液細胞的生成。這一過程會產(chǎn)生活性氧（ROS），導致HSCs耗竭和造血功能衰竭。鐵氧血紅素（FMT；Feraheme），一種經(jīng)美國食品藥品監(jiān)督管理局批準的納米藥物，是一種強大的ROS清除劑，能夠緩解應激下HSCs中的ROS，促進其損傷后的再生。機制上，F(xiàn)MT的過氧化氫酶樣活性降低了細胞內(nèi)過氧化氫水平，減少了H2O2引起的細胞毒性。此外，F(xiàn)MT在預處理過的白血病小鼠中維持了移植HSCs的長期再生能力，并顯示出在體內(nèi)有效消除白血病的同時保留HSCs的潛力。該文章于2025年4月23日以《Ferumoxytol promotes haematopoietic stem cell post-injury regeneration as a reactive oxygen species scavenger》為題發(fā)表于《nature nanotechnology》（DOI：: 10.1038/s41565-025-01907-2）。

（1）FMT減少ROS誘導的HSC細胞毒性

研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)MT對血液系統(tǒng)中正常干細胞和惡性細胞具有不同的生物學效應。FMT降低了小鼠長期造血干細胞（LT-HSC；CD150+CD48?LSK）中的ROS水平，但顯著增加了MLL-AF9（MA9）驅動的AML細胞中的ROS水平（圖1a，b）。在小鼠造血干/祖細胞系32D和AML細胞系C1498中也觀察到類似結果（圖1a，b）。FMT誘導AML細胞凋亡，同時保留HSC，并降低造血祖細胞中的ROS水平（圖1c）。FMT對AML細胞增加的氧化應激和細胞毒性，除酸性環(huán)境下其過氧化物酶樣活性產(chǎn)生的毒性外，還歸因于溶酶體中納米顆粒（NP）降解后產(chǎn)生的游離鐵離子。FMT在酸性條件（pH=4.6，如溶酶體中）下持續(xù)降解并釋放鐵離子，而在中性溶液（pH=7.4，如細胞質中）中保持穩(wěn)定。亞鐵離子和三價鐵離子均對骨髓（BM）原代細胞具有毒性，LT-HSC中細胞內(nèi)ROS水平增加，但FMT的涂層材料聚葡萄糖山梨醇羧甲基醚（PSC）不降低ROS水平，提示FMT在正常HSC中可能保持完整顆粒形式，很少降解。相比之下，F(xiàn)MT促進MA9細胞中細胞內(nèi)ROS產(chǎn)生的能力與鐵離子相當，表明其在白血病細胞中可能經(jīng)歷更多細胞降解以產(chǎn)生鐵。

在HSC和AML細胞中，F(xiàn)MT的細胞內(nèi)分布存在差異。少數(shù)內(nèi)化的FMT與LT-HSC和32D中的溶酶體共定位，而大多數(shù)內(nèi)化的FMT與MLL-AF9和C1498中的溶酶體共定位（圖1d），這一結果通過三維成像（圖1e，f）和透射電子顯微鏡（TEM）得到證實。FMT屬于超順磁性納米顆粒，其降解過程可通過磁性監(jiān)測。FMT在C1498中比32D更多地內(nèi)化，且AML細胞中過量的鐵在FMT處理24h后位于細胞質中，48h后位于溶酶體中（圖1g）。磁性測量發(fā)現(xiàn)，盡管32D中內(nèi)化的鐵較少，但其磁性鐵質量顯著高于C1498，且48h時增加的磁性鐵來自細胞質（圖1h），與成像觀察一致，即FMT以納米顆粒形式進入細胞質（圖1d，f）。此外，AML細胞表現(xiàn)出更多的溶酶體熒光信號（圖1i）和計數(shù)，這可能是由于轉錄因子EB（TFEB，溶酶體生物發(fā)生的主要調(diào)節(jié)物）的mRNA水平和核蛋白水平在AML細胞中比HSC高得多（圖2k，l）。這些結果表明，F(xiàn)MT在HSC細胞質中顯示出更多共定位，導致ROS誘導的細胞毒性降低（圖1k）。

圖1 FMT在HSC和AML細胞中的細胞毒性、細胞內(nèi)分布和溶酶體降解。（a）LT-HSCs、MA9 AML細胞、32D和C1498在50 μg/ml FMT處理48小時后的ROS流式圖；（b）LT-HSCs、MA9 AML細胞、32D和C1498在50 μg/ml FMT處理48小時后ROS的平均熒光強度（MFI）；（c）LT-HSCs、MA9 AML細胞、32D和C1498在50 μg/ml FMT處理48小時后annexin V+細胞的平均熒光強度（MFI）；（d）細胞孵育TRITC標記FMT 48小時后的熒光定位（FMT，紅色；細胞核，藍色；溶酶體，綠色），以及沿選定線的強度分布；（e）FMT和溶酶體之間的皮爾遜相關系數(shù)；（f）細胞孵育TRITC標記FMT 48小時后的FMT定位三維堆疊圖像（FMT，紅色；溶酶體，綠色；合并，黃色）；（g）32D和C1498細胞總鐵含量、溶酶體和胞漿中的總鐵質量；（h）整個細胞、溶酶體和胞質中磁性鐵含量的質量，針對32D和C1498；（i）LT-HSCs、MA9 AML細胞、32D和C1498中LysoTracker的MFI值；（j）LT-HSCs、MA9 AML細胞、32D和C1498中TFEB表達和分布的熒光可視化（TFEB，紅色；核，藍色）；（k）示意圖

（2）FMT提高體外培養(yǎng)HSC的造血能力

研究發(fā)現(xiàn)，接受造血干細胞移植（HSCT）患者的植入成功率和預后與移植的造血干細胞（HSC）數(shù)量和質量相關，而離體擴增是獲取足夠數(shù)量HSC的方法之一。然而，由于長期培養(yǎng)和活性氧（ROS）積累引起的氧化應激，體外擴增的HSC長期造血重建能力不可持續(xù)。FMT對長期培養(yǎng)的HSC具有ROS清除作用（圖2a）。28天后，與對照組相比，F(xiàn)MT共培養(yǎng)使LSK細胞和表型LT-HSC數(shù)量分別增加2.6倍和4.5倍（圖2b，c）。FMT處理后LT-HSC的ROS水平和凋亡率降低（圖2d）。除鐵蛋白輕鏈1（Ftl1）輕微上調(diào)外，F(xiàn)MT未引起主要鐵代謝基因表達差異。系列競爭性移植測定顯示，約86.5%的LT-HSC在移植前被FMT標記，且該比例在造血重建期間逐漸降低（圖2e，f），但FMT標記的HSC中ROS水平顯著降低（圖2g）。初次移植期間，F(xiàn)MT共培養(yǎng)組的總體再增殖率增加（圖2h），受體表現(xiàn)出更多供體來源的LSK細胞、LT-HSC和成熟譜系（圖2i，j），以及更低的ROS水平（圖2k）。二次移植中，F(xiàn)MT共培養(yǎng)組的供體來源細胞總體再增殖率和數(shù)量增加（圖2l-n），這歸因于供體來源LT-HSC中ROS水平降低（圖2o）。第三次移植中，接受FMT共培養(yǎng)組遺傳BM細胞的受體存活120天，而接受對照組BM細胞的受體在移植后6周內(nèi)全部死亡（圖2p）。這些數(shù)據(jù)表明，離體共培養(yǎng)與FMT處理可有效保護HSC免受ROS誘導的氧化應激和功能喪失。

圖2 FMT共培養(yǎng)減輕ROS誘導的氧化應激并增強培養(yǎng)HSCs的長期再殖能力。（a）BM細胞與FMT共培養(yǎng)的示意圖；（b）流式圖，顯示BM細胞與50 μg/ml FMT共培養(yǎng)14天和28天后的LSK及LT-HSC數(shù)量；（c）流式圖及MFI，顯示BM細胞與50 μg/ml FMT共培養(yǎng)28天后LT-HSCs的ROS水平；（d）多代競爭移植試驗示意圖；（e）流式圖及MFI，顯示LT-HSCs預移植或供體來源LT-HSCs在移植后8周和16周的FMT標記細胞；（f）流式圖及MFI，顯示FMT標記或未標記供體來源LT-HSCs在移植后16周的ROS水平；（g）初次受者PB中200個LT-HSCs在10天長的50 μg/ml FMT共培養(yǎng)后的供體嵌合情況；（h）供體嵌合成熟譜系及供體來源的LSK細胞和LT-HSC數(shù)量在移植后16周的骨髓中，來自初次受者的樣本；（i）供體來源的LT-HSC在移植后16周的ROS流式圖及MFI；（j）供體嵌合在二次受者的PB中；（k）供體嵌合成熟譜系及供體來源的LSK細胞和LT-HSC數(shù)量在移植后16周的骨髓中，來自二次受者的樣本；（l）供體來源的LT-HSC在移植后16周的ROS流式圖及MFI；（m）致命劑量照射的受者接受二次受者骨髓細胞后的Kaplan-Meier生存曲線

（3）FMT促進HSC損傷后的再生

研究發(fā)現(xiàn)，腫瘤患者接受大劑量化療或放療會嚴重損傷造血干細胞，破壞免疫系統(tǒng)，降低患者生存率。圖3a展示了小鼠靜脈注射5-FU的治療方案。注射FMT顯著延長了5-FU治療小鼠的存活期（圖3b）。在FMT注射小鼠的外周血中，白細胞和其他造血細胞的計數(shù)從第0天至第9天下降更慢，并從第9天至第60天恢復更快（圖3c），表明HSC的再生。第8天分析顯示，F(xiàn)MT處理小鼠的骨髓中有更多LSK細胞和LT-HSC（圖3d），約86.3%的LT-HSC被FMT標記，且分布在細胞質中（圖3e），其ROS水平降低（圖3f）。因此，F(xiàn)MT顯著降低了LT-HSC的ROS水平和細胞凋亡（圖3g），對持續(xù)造血至關重要。競爭性再增殖試驗表明，接受FMT處理小鼠的LT-HSC的小鼠具有更高的造血重建率（圖3h，i），說明FMT通過降低5-FU處理后的ROS水平和細胞凋亡，再生功能性HSC。

圖3 FMT修復由5-FU和致死性TBI引起的造血損傷。（a）5-FU引起的造血損傷中FMT治療的示意圖（i.v.，靜脈注射）；（b）5-FU預處理小鼠的Kaplan-Meier生存曲線；（c）5-FU預處理小鼠的白細胞計數(shù)；（d）5-FU預處理第8天小鼠中的LSK細胞和LT-HSC數(shù)量；（e）5-FU預處理并接受FMT治療第8天的小鼠中FMT標記的LT-HSC的流式圖；（f）流式圖及MFI，顯示5-FU預處理并接受TRITC-FMT治療第8天小鼠中FMT標記或未標記的LT-HSC中的ROS水平；（g）小鼠在第8天接受5-FU預處理后，LT-HSCs中ROS的流式圖及MFI；（h）受者移植了從接受5-FU預處理的小鼠中分選出的200個LT-HSCs后，供體嵌合體在PB中的情況；（i）移植后16周供體來源LSK細胞和LT-HSCs的數(shù)量；（j）移植后16周供體來源LT-HSCs中ROS的流式圖及MFI

為了進一步證實 FMT 在致死輻射誘導的骨髓消融后保護 HSC 和增強造血恢復中的潛在應用，對小鼠施用全身輻射（TBI），然后進行 FMT 治療（圖 4a）。7.5 戈伊 TBI 的單次劑量導致 24 天內(nèi)的死亡，而用 FMT 處理的小鼠具有顯著更長的存活期（圖 4 b）。此外，PB 中的成熟造血細胞和 BM 中的 LT-HSC 通過 FMT 處理很好地恢復（圖 4c、d）。FMT 分布在標記的 LT-HSC 的細胞質中，其顯示出降低的 ROS 水平（圖 4 e、f），并且 FMT 還顯著降低 LT-HSC 的 ROS 水平和細胞凋亡（圖 4g）。因此，HSC 的造血重建能力也得到恢復（圖 4 h-j）。總的來說，這些結果表明，F(xiàn)MT 治療有效地促進從藥物和致命的輻射誘導的造血損傷的恢復。

圖4 FMT修復致命TBI引起的造血損傷。（a）FMT治療在TBI引起的造血損傷中的示意圖；（b）致命照射小鼠的Kaplan–Meier生存曲線；（c）致命照射小鼠的白細胞計數(shù)；（d）致命照射小鼠在第8天的LSK細胞和LT-HSC數(shù)量；（f）流式圖及MFI，顯示致死照射小鼠在第8天接受FMT標記或未標記的LT-HSC中的ROS水平；（g）小鼠在第8天接受致死性照射后，LT-HSCs中的ROS的流式圖及MFI；（h）受體移植了從致死性照射小鼠中分選的200個LT-HSCs后，供體嵌合體在PB中的情況；（i）移植后16周供體來源LSK細胞和LT-HSCs的數(shù)量；（j）移植后16周供體來源LT-HSCs中的ROS的流式圖及MFI

（4）FMT清除應激HSC中的H₂O₂

為探究FMT處理緩解應激HSC的機制，從5-FU處理小鼠中分選LT-HSC，提取RNA進行RNA-seq（圖5a）。主成分分析將5-FU+鹽水和5-FU+FMT小鼠與未處理對照小鼠區(qū)分開（圖5b）。在5-FU處理的LT-HSC中，DNA損傷反應相關基因上調(diào)，造血、轉錄和蛋白質折疊相關基因下調(diào)，表明5-FU誘導HSC應激和造血損傷。分析5-FU+FMT與5-FU+鹽水小鼠LT-HSC基因表達變化（圖5c），發(fā)現(xiàn)FMT部分逆轉基因表達，GO分析顯示造血相關基因表達恢復（圖5c）。GSEA顯示，F(xiàn)MT處理后，響應5-FU的DNA復制、重組、修復和有絲分裂的上調(diào)基因下調(diào)，表明FMT減輕5-FU誘導的DNA損傷反應。5-FU誘導的DNA損傷反應與線粒體氧化呼吸相關，導致ROS積累和氧化應激，進而引起DNA損傷和造血損傷。FMT處理后，響應5-FU的電子傳遞鏈和線粒體呼吸鏈復合物I相關上調(diào)基因下調(diào)（圖5d）。

將差異表達基因分為簇1和簇2（圖5e），并分別進行GO分析（圖5f）。簇1的GO分析顯示，5-FU處理上調(diào)了對H?O?應答的基因，F(xiàn)MT處理后其表達水平降低（圖5f，g）。H?O?對培養(yǎng)的HSC表現(xiàn)出劑量依賴性細胞毒性。用5μM H?O?預處理培養(yǎng)的HSC，減少HSC數(shù)量并誘導凋亡，隨后用FMT或GSH處理細胞（圖4h）。發(fā)現(xiàn)FMT顯著去除細胞內(nèi)H?O?（圖5i，j），降低對H?O?應答基因的表達（圖5k）。此外，F(xiàn)MT顯著增加LSK細胞和LT-HSC數(shù)量，增強LT-HSC的集落形成能力并減少凋亡（圖5l-n）?？傊?，F(xiàn)MT的CAT樣活性可清除細胞內(nèi)H?O?，減少H?O?誘導的DNA損傷和細胞毒性，促進造血損傷的HSC再生。

圖5 RNA-seq顯示FMT能清除應激HSC中的過氧化氫。（a）圖示，來自預先用5-FU預處理的小鼠骨髓細胞中分離出的LT-HSCs的RNA-seq數(shù)據(jù)；（b）主要成分分析，來自預先用5-FU預處理的小鼠骨髓細胞中分離出的LT-HSCs的RNA-seq數(shù)據(jù)；（c）GO生物過程術語分析，比較5-FU與生理鹽水對照組和5-FU與FMT對照組差異表達基因；（d）5-FU與生理鹽水對照組和5-FU與FMT對照組差異表達基因的GSEA富集圖，NES為歸一化富集分數(shù)，F(xiàn)DR為錯誤發(fā)現(xiàn)率，統(tǒng)計檢驗為單側檢驗，并進行了多重比較校正；（e）三組間差異表達基因的表達熱圖；（f）簇1中差異表達基因的GO生物過程術語分析，統(tǒng)計檢驗為單側檢驗，并進行了多重比較校正；（g）三組間過氧化氫反應基因的表達；（h）小鼠骨髓細胞中過氧化氫預處理和FMT共培養(yǎng)的示意圖；（i）PBS-、50 μg/ml FMT-或50 μg/ml GSH-共培養(yǎng)的骨髓細胞中LT-HSCs的胞內(nèi)過氧化氫含量，經(jīng)5 μM過氧化氫預處理；（j）從PBS-、50 μg/ml FMT-或50 μg/ml GSH-共培養(yǎng)的骨髓細胞中分離出的LT-HSCs的過氧化氫熒光成像，經(jīng)5 μM過氧化氫預處理；（k）從PBS-或50 μg/ml FMT-共培養(yǎng)的骨髓細胞中分離出的LT-HSCs的過氧化氫反應基因mRNA表達，經(jīng)5 μM過氧化氫預處理；（l）代表性流式圖，顯示PBS-、50 μg/ml FMT-或50 μg/ml GSH-共培養(yǎng)的骨髓細胞中LSK細胞和LT-HSCs的數(shù)量，經(jīng)5 μM過氧化氫預處理；（m）PBS-、50 μg/ml FMT-或50 μg/ml GSH-共培養(yǎng)的骨髓細胞中LSK細胞的數(shù)量，經(jīng)5 μM過氧化氫預處理；（n）PBS-、50 μg/ml FMT-或50 μg/ml GSH-共培養(yǎng)的骨髓細胞中LT-HSCs的數(shù)量，經(jīng)5 μM過氧化氫預處理

（5）FMT促進移植HSC的再生

研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)MT在恢復應激HSC中具有潛在治療益處，并能改善AML小鼠中HSCT的療效。AML小鼠接受8.5 Gy致死劑量TBI作為HSCT預處理方案，照射后24小時進行HSCT，并在移植后施用FMT六次（圖6a）。4周后，對照和FMT處理小鼠的PB、BM和脾臟中幾乎檢測不到白血病細胞，且PB中成熟血細胞在移植后4周內(nèi)逐漸恢復（圖6b）。FMT處理小鼠的PB血細胞在第15天恢復更快（圖6b），28天內(nèi)壽命延長。第28天分析顯示，F(xiàn)MT處理小鼠的BM中總細胞、MPP、LSK細胞和LT-HSC數(shù)量增加（圖6c、d），LT-HSC的細胞內(nèi)H?O?含量、ROS水平和凋亡減少（圖6e）。

為評估FMT處理后移植HSC的長期再生能力，進行二次移植（圖6a）。與對照組相比，接受FMT處理小鼠LT-HSC的受體總體再增殖率和供體來源成熟譜系顯著增加（圖6f，g）。FMT處理組120天內(nèi)存活小鼠數(shù)量（6只）高于對照組（6只中的4只），盡管存活曲線無統(tǒng)計學顯著差異。FMT處理后，二次移植HSC的H?O?和ROS濃度及凋亡顯著降低（圖6h和擴展數(shù)據(jù)圖7i，j），供體來源LSK細胞和LT-HSC數(shù)量增加（圖6i）。第三次移植顯示，與對照組相比，F(xiàn)MT治療組受體小鼠壽命顯著延長（圖6j）。結果表明，F(xiàn)MT治療在AML的預處理橋接HSCT治療中維持了移植HSC的長期造血能力。

圖6 FMT增強了TBI預處理的AML小鼠中移植HSCs的長期再生能力。（a）AML小鼠經(jīng)TBI預處理和HSCT后接受FMT治療的示意圖；（b）TBI預處理的AML小鼠在不同移植日后的白細胞、紅細胞和血小板計數(shù)；（c）第28天小鼠骨髓中的總骨髓細胞數(shù)，生理鹽水組和FMT組；（d）第28天小鼠骨髓中的LSK和LT-HSC數(shù)量，生理鹽水組和FMT組；（e）第28天小鼠LT-HSCs中胞內(nèi)過氧化氫的流式圖及定量分析，生理鹽水組和FMT組；（f）次級受者移植后16周時供體嵌合體在PB中的比例；（g）次級受者移植后16周時成熟譜系在PB和骨髓中的比例；（h）二次移植后16周次級受者LT-HSCs中細胞內(nèi)過氧化氫的流式圖及定量分析，生理鹽水組和FMT組；（i）二次移植后16周次級受者骨髓中供體來源LSK細胞和LT-HSCs的數(shù)量；（j）接受次級受者骨髓細胞的致死劑量照射受者的Kaplan-Meier生存曲線；（k）示意圖