J Clin Invest丨程涛/张英驰/董芳团队揭示脐带血20年冻存功能演变规律，线粒体修复激活“沉睡”干细胞潜能

脐带血因富含造血干祖细胞（Hematopoietic stem and progenitor cell, HSPC）、成熟细胞及间充质干细胞等成分，广泛用于血液系统疾病治疗。与骨髓、外周血来源的造血干细胞移植（hematopoietic stem cell transplantation, HSCT）相比，脐带血移植具有较低的肿瘤细胞污染风险、免疫原性较低、复发风险较小，同时干细胞更加静息、功能更强，移植后造血重建能力更优。近年来，其应用已延伸至免疫细胞治疗和再生医学，涵盖自身免疫病、实体瘤、慢性代谢病及神经系统疾病等领域【1, 2】。截至目前，全球累计储存脐带血样本已超过800万份，其中中国超过240万份；然而，全球脐带血临床应用病例仅约8万例，中国约4.2万例，总体临床使用率不足2%【3】。造成这一现象的原因，除单份脐带血细胞数量难以满足体重较大成年患者的移植需求外，另一重要因素为临床上更倾向于使用冻存时间＜5年的样本，而对长期冻存样本持谨慎态度，这一偏好主要基于临床经验，缺乏系统的科学验证。尽管早期研究表明即使冻存长达27年的脐带血依然具备体内、外造血重建能力【4】，但这些研究并未平行且深入地比较不同冻存年限下脐带血不同细胞群体的转录组和功能改变。因此，全面、无偏倚地解析冻存对脐带血HSPC及成熟血细胞功能的影响，是提高脐带血临床应用率、实现其高效利用与精准转化的关键科学问题。

近日，中国医学科学院血液病医院（中国医学科学院血液学研究所）程涛教授、张英驰研究员及董芳研究员团队联合脐带血库，在The Journal of Clinical Investigation杂志以封面论文的形式发表了题为Restoring mitochondrial function promotes hematopoietic reconstitution from cord blood following cryopreservation-related functional decline的研究论文。该研究系统性解析脐带血中不同造血细胞在长达20年冻存过程中的转录组变化规律，揭示了冻存对不同类型造血细胞功能的影响。同时，创新性地提出通过线粒体代谢干预来修复脐带血HSPC再生能力的新策略，此研究为脐带血的冻存及应用提供了科学指导，并为优化脐带血临床移植策略及拓展其应用范围提供了关键参考。

团队联合天津市脐带血造血干细胞库和山东省脐带血造血干细胞库，构建了覆盖“未冻存—1年—5年—10年—19年” 冻存周期的HSPC及单个核细胞的单细胞转录组图谱。通过对143,385个HSPC及139, 720个成熟细胞的深度分析，发现冻存脐带血中存在一群线粒体基因高表达的细胞亚群，简称Mitohi亚群。研究发现Mitohi HSC/MPP亚群比例随冻存时长显著升高，且冻存后的HSC/MPP亚群表现出细胞周期状态的改变和干性基因表达水平的降低，提示冻存可能影响HSPC的长期造血重建能力。

功能实验进一步证实HSPC的长期重建能力在冻存后5年逐渐下降，但随后趋于稳定，即使冻存长达19年仍保留相当的植入能力和无偏倚的髓系及淋系分化倾向；然而，冻存降低了HSPC向巨核系分化的能力。与HSPC相比，脐带血中的免疫细胞如T细胞和NK细胞对于冻存表现出较好的“耐受性”，即冻存后这些细胞的细胞毒性与细胞因子分泌能力均与未冻存组无明显差异，这提示冻存脐带血可为CAR-T和CAR-NK等细胞治疗提供新的资源储备。

机制研究揭示了冻存导致HSPC功能损伤的核心原因是线粒体代谢异常，具体表现为活性氧（ROS）积累、ATP合成减少及线粒体膜电位改变，并伴随线粒体分布异常等现象。针对这一问题，研究团队从“损伤”到“修复”，提出并验证了利用西兰花提取物萝卜硫素（Sulforaphane, SF）作为冻存复苏后代谢修复干预手段，有效降低线粒体ROS水平，使冻存10年HSPC的集落形成能力部分恢复。此外，作为抢先干预手段，在冻存液中添加萝卜硫素，能长期保护HSPC线粒体功能，维持其植入与向巨核细胞的分化潜能。

综上所述，本研究全面揭示了冻存对脐带血细胞功能的影响，并提出萝卜硫素作为潜在干预策略，能够有效提升冻存脐带血HSPC的造血重建能力。研究成果不仅为冻存脐带血在临床应用中的时间窗口与适应范围提供了新的科学依据，也拓展了其在传统造血干细胞移植治疗血液疾病之外的应用潜力，进一步支持其作为细胞产品用于免疫治疗，以及通过直接输注应用于抗衰老和其他慢性疾病干预等新兴方向，为其在再生医学和精准医疗等领域的转化应用奠定了坚实基础。该研究有望提升冻存脐带血的利用效率，推动其从“存量资源”向“高质量供给”的转化。

中国医学科学院血液病医院（中国医学科学院血液学研究所）程涛教授、张英驰研究员和董芳研究员为共同通讯作者，中国医学科学院血液病医院（中国医学科学院血液学研究所）博士生黄耀瑾、副研究员谢小韦、主管技师刘梦瑶、博士毕业生张雅文（现江苏省人民医院血液科医师）为并列第一作者。本项目进行过程中得到了天津市脐带血造血干细胞库、山东省脐带血造血干细胞库的支持。

原文链接：https://www.jci.org/articles/view/183607

制版人：十一

参考文献

1.Ballen, K.K., E. Gluckman, and H.E. Broxmeyer, Umbilical cord blood transplantation: the first 25 years and beyond.Blood, 2013.122(4): p. 491-8.

2.Lund, T.C., et al., Advances in umbilical cord blood manipulation-from niche to bedside.Nat Rev Clin Oncol, 2015.12(3): p. 163-74.

3.Mayani, H., J.E. Wagner, and H.E. Broxmeyer, Cord blood research, banking, and transplantation: achievements, challenges, and perspectives.Bone Marrow Transplant, 2020.55(1): p. 48-61.

4.Broxmeyer, H.E., et al., Insights into highly engraftable hematopoietic cells from 27-year cryopreserved umbilical cord blood.Cell Rep Med, 2023.4(11): p. 101259.

撰稿：黄耀瑾、谢小韦、董芳、张英驰 编辑：李炳轩 校对：柴子越 审核：祁健伟 张 磊

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