针对上述问题，浙江大学钱鹏旭教授旨在探讨 FMT 对急性髓系白血病（AML）细胞和造血干细胞的不同作用，以及 FMT 是否能缓解应激的造血干细胞，促进造血再生。在应激条件下，如体外培养、化疗、放疗和感染，HSCs会积极分裂以维持血液细胞的生成。这一过程会产生活性氧（ROS），导致HSCs耗竭和造血功能衰竭。铁氧血红素（FMT；Feraheme），一种经美国食品药品监督管理局批准的纳米药物，是一种强大的ROS清除剂，能够缓解应激下HSCs中的ROS，促进其损伤后的再生。机制上，FMT的过氧化氢酶样活性降低了细胞内过氧化氢水平，减少了H2O2引起的细胞毒性。此外，FMT在预处理过的白血病小鼠中维持了移植HSCs的长期再生能力，并显示出在体内有效消除白血病的同时保留HSCs的潜力。该文章于2025年4月23日以《Ferumoxytol promotes haematopoietic stem cell post-injury regeneration as a reactive oxygen species scavenger》为题发表于《nature nanotechnology》（DOI：: 10.1038/s41565-025-01907-2）。

（1）FMT减少ROS诱导的HSC细胞毒性

研究发现，FMT对血液系统中正常干细胞和恶性细胞具有不同的生物学效应。FMT降低了小鼠长期造血干细胞（LT-HSC；CD150+CD48−LSK）中的ROS水平，但显著增加了MLL-AF9（MA9）驱动的AML细胞中的ROS水平（图1a，b）。在小鼠造血干/祖细胞系32D和AML细胞系C1498中也观察到类似结果（图1a，b）。FMT诱导AML细胞凋亡，同时保留HSC，并降低造血祖细胞中的ROS水平（图1c）。FMT对AML细胞增加的氧化应激和细胞毒性，除酸性环境下其过氧化物酶样活性产生的毒性外，还归因于溶酶体中纳米颗粒（NP）降解后产生的游离铁离子。FMT在酸性条件（pH=4.6，如溶酶体中）下持续降解并释放铁离子，而在中性溶液（pH=7.4，如细胞质中）中保持稳定。亚铁离子和三价铁离子均对骨髓（BM）原代细胞具有毒性，LT-HSC中细胞内ROS水平增加，但FMT的涂层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中可能保持完整颗粒形式，很少降解。相比之下，FMT促进MA9细胞中细胞内ROS产生的能力与铁离子相当，表明其在白血病细胞中可能经历更多细胞降解以产生铁。

在HSC和AML细胞中，FMT的细胞内分布存在差异。少数内化的FMT与LT-HSC和32D中的溶酶体共定位，而大多数内化的FMT与MLL-AF9和C1498中的溶酶体共定位（图1d），这一结果通过三维成像（图1e，f）和透射电子显微镜（TEM）得到证实。FMT属于超顺磁性纳米颗粒，其降解过程可通过磁性监测。FMT在C1498中比32D更多地内化，且AML细胞中过量的铁在FMT处理24h后位于细胞质中，48h后位于溶酶体中（图1g）。磁性测量发现，尽管32D中内化的铁较少，但其磁性铁质量显著高于C1498，且48h时增加的磁性铁来自细胞质（图1h），与成像观察一致，即FMT以纳米颗粒形式进入细胞质（图1d，f）。此外，AML细胞表现出更多的溶酶体荧光信号（图1i）和计数，这可能是由于转录因子EB（TFEB，溶酶体生物发生的主要调节物）的mRNA水平和核蛋白水平在AML细胞中比HSC高得多（图2k，l）。这些结果表明，FMT在HSC细胞质中显示出更多共定位，导致ROS诱导的细胞毒性降低（图1k）。

图1 FMT在HSC和AML细胞中的细胞毒性、细胞内分布和溶酶体降解。（a）LT-HSCs、MA9 AML细胞、32D和C1498在50 μg/ml FMT处理48小时后的ROS流式图；（b）LT-HSCs、MA9 AML细胞、32D和C1498在50 μg/ml FMT处理48小时后ROS的平均荧光强度（MFI）；（c）LT-HSCs、MA9 AML细胞、32D和C1498在50 μg/ml FMT处理48小时后annexin V+细胞的平均荧光强度（MFI）；（d）细胞孵育TRITC标记FMT 48小时后的荧光定位（FMT，红色；细胞核，蓝色；溶酶体，绿色），以及沿选定线的强度分布；（e）FMT和溶酶体之间的皮尔逊相关系数；（f）细胞孵育TRITC标记FMT 48小时后的FMT定位三维堆叠图像（FMT，红色；溶酶体，绿色；合并，黄色）；（g）32D和C1498细胞总铁含量、溶酶体和胞浆中的总铁质量；（h）整个细胞、溶酶体和胞质中磁性铁含量的质量，针对32D和C1498；（i）LT-HSCs、MA9 AML细胞、32D和C1498中LysoTracker的MFI值；（j）LT-HSCs、MA9 AML细胞、32D和C1498中TFEB表达和分布的荧光可视化（TFEB，红色；核，蓝色）；（k）示意图

（2）FMT提高体外培养HSC的造血能力

研究发现，接受造血干细胞移植（HSCT）患者的植入成功率和预后与移植的造血干细胞（HSC）数量和质量相关，而离体扩增是获取足够数量HSC的方法之一。然而，由于长期培养和活性氧（ROS）积累引起的氧化应激，体外扩增的HSC长期造血重建能力不可持续。FMT对长期培养的HSC具有ROS清除作用（图2a）。28天后，与对照组相比，FMT共培养使LSK细胞和表型LT-HSC数量分别增加2.6倍和4.5倍（图2b，c）。FMT处理后LT-HSC的ROS水平和凋亡率降低（图2d）。除铁蛋白轻链1（Ftl1）轻微上调外，FMT未引起主要铁代谢基因表达差异。系列竞争性移植测定显示，约86.5%的LT-HSC在移植前被FMT标记，且该比例在造血重建期间逐渐降低（图2e，f），但FMT标记的HSC中ROS水平显著降低（图2g）。初次移植期间，FMT共培养组的总体再增殖率增加（图2h），受体表现出更多供体来源的LSK细胞、LT-HSC和成熟谱系（图2i，j），以及更低的ROS水平（图2k）。二次移植中，FMT共培养组的供体来源细胞总体再增殖率和数量增加（图2l-n），这归因于供体来源LT-HSC中ROS水平降低（图2o）。第三次移植中，接受FMT共培养组遗传BM细胞的受体存活120天，而接受对照组BM细胞的受体在移植后6周内全部死亡（图2p）。这些数据表明，离体共培养与FMT处理可有效保护HSC免受ROS诱导的氧化应激和功能丧失。

图2 FMT共培养减轻ROS诱导的氧化应激并增强培养HSCs的长期再殖能力。（a）BM细胞与FMT共培养的示意图；（b）流式图，显示BM细胞与50 μg/ml FMT共培养14天和28天后的LSK及LT-HSC数量；（c）流式图及MFI，显示BM细胞与50 μg/ml FMT共培养28天后LT-HSCs的ROS水平；（d）多代竞争移植试验示意图；（e）流式图及MFI，显示LT-HSCs预移植或供体来源LT-HSCs在移植后8周和16周的FMT标记细胞；（f）流式图及MFI，显示FMT标记或未标记供体来源LT-HSCs在移植后16周的ROS水平；（g）初次受者PB中200个LT-HSCs在10天长的50 μg/ml FMT共培养后的供体嵌合情况；（h）供体嵌合成熟谱系及供体来源的LSK细胞和LT-HSC数量在移植后16周的骨髓中，来自初次受者的样本；（i）供体来源的LT-HSC在移植后16周的ROS流式图及MFI；（j）供体嵌合在二次受者的PB中；（k）供体嵌合成熟谱系及供体来源的LSK细胞和LT-HSC数量在移植后16周的骨髓中，来自二次受者的样本；（l）供体来源的LT-HSC在移植后16周的ROS流式图及MFI；（m）致命剂量照射的受者接受二次受者骨髓细胞后的Kaplan-Meier生存曲线

（3）FMT促进HSC损伤后的再生

研究发现，肿瘤患者接受大剂量化疗或放疗会严重损伤造血干细胞，破坏免疫系统，降低患者生存率。图3a展示了小鼠静脉注射5-FU的治疗方案。注射FMT显著延长了5-FU治疗小鼠的存活期（图3b）。在FMT注射小鼠的外周血中，白细胞和其他造血细胞的计数从第0天至第9天下降更慢，并从第9天至第60天恢复更快（图3c），表明HSC的再生。第8天分析显示，FMT处理小鼠的骨髓中有更多LSK细胞和LT-HSC（图3d），约86.3%的LT-HSC被FMT标记，且分布在细胞质中（图3e），其ROS水平降低（图3f）。因此，FMT显著降低了LT-HSC的ROS水平和细胞凋亡（图3g），对持续造血至关重要。竞争性再增殖试验表明，接受FMT处理小鼠的LT-HSC的小鼠具有更高的造血重建率（图3h，i），说明FMT通过降低5-FU处理后的ROS水平和细胞凋亡，再生功能性HSC。

图3 FMT修复由5-FU和致死性TBI引起的造血损伤。（a）5-FU引起的造血损伤中FMT治疗的示意图（i.v.，静脉注射）；（b）5-FU预处理小鼠的Kaplan-Meier生存曲线；（c）5-FU预处理小鼠的白细胞计数；（d）5-FU预处理第8天小鼠中的LSK细胞和LT-HSC数量；（e）5-FU预处理并接受FMT治疗第8天的小鼠中FMT标记的LT-HSC的流式图；（f）流式图及MFI，显示5-FU预处理并接受TRITC-FMT治疗第8天小鼠中FMT标记或未标记的LT-HSC中的ROS水平；（g）小鼠在第8天接受5-FU预处理后，LT-HSCs中ROS的流式图及MFI；（h）受者移植了从接受5-FU预处理的小鼠中分选出的200个LT-HSCs后，供体嵌合体在PB中的情况；（i）移植后16周供体来源LSK细胞和LT-HSCs的数量；（j）移植后16周供体来源LT-HSCs中ROS的流式图及MFI

为了进一步证实 FMT 在致死辐射诱导的骨髓消融后保护 HSC 和增强造血恢复中的潜在应用，对小鼠施用全身辐射（TBI），然后进行 FMT 治疗（图 4a）。7.5 戈伊 TBI 的单次剂量导致 24 天内的死亡，而用 FMT 处理的小鼠具有显著更长的存活期（图 4 b）。此外，PB 中的成熟造血细胞和 BM 中的 LT-HSC 通过 FMT 处理很好地恢复（图 4c、d）。FMT 分布在标记的 LT-HSC 的细胞质中，其显示出降低的 ROS 水平（图 4 e、f），并且 FMT 还显著降低 LT-HSC 的 ROS 水平和细胞凋亡（图 4g）。因此，HSC 的造血重建能力也得到恢复（图 4 h-j）。总的来说，这些结果表明，FMT 治疗有效地促进从药物和致命的辐射诱导的造血损伤的恢复。

图4 FMT修复致命TBI引起的造血损伤。（a）FMT治疗在TBI引起的造血损伤中的示意图；（b）致命照射小鼠的Kaplan–Meier生存曲线；（c）致命照射小鼠的白细胞计数；（d）致命照射小鼠在第8天的LSK细胞和LT-HSC数量；（f）流式图及MFI，显示致死照射小鼠在第8天接受FMT标记或未标记的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的流式图及MFI；（h）受体移植了从致死性照射小鼠中分选的200个LT-HSCs后，供体嵌合体在PB中的情况；（i）移植后16周供体来源LSK细胞和LT-HSCs的数量；（j）移植后16周供体来源LT-HSCs中的ROS的流式图及MFI

（4）FMT清除应激HSC中的H₂O₂

为探究FMT处理缓解应激HSC的机制，从5-FU处理小鼠中分选LT-HSC，提取RNA进行RNA-seq（图5a）。主成分分析将5-FU+盐水和5-FU+FMT小鼠与未处理对照小鼠区分开（图5b）。在5-FU处理的LT-HSC中，DNA损伤反应相关基因上调，造血、转录和蛋白质折叠相关基因下调，表明5-FU诱导HSC应激和造血损伤。分析5-FU+FMT与5-FU+盐水小鼠LT-HSC基因表达变化（图5c），发现FMT部分逆转基因表达，GO分析显示造血相关基因表达恢复（图5c）。GSEA显示，FMT处理后，响应5-FU的DNA复制、重组、修复和有丝分裂的上调基因下调，表明FMT减轻5-FU诱导的DNA损伤反应。5-FU诱导的DNA损伤反应与线粒体氧化呼吸相关，导致ROS积累和氧化应激，进而引起DNA损伤和造血损伤。FMT处理后，响应5-FU的电子传递链和线粒体呼吸链复合物I相关上调基因下调（图5d）。

将差异表达基因分为簇1和簇2（图5e），并分别进行GO分析（图5f）。簇1的GO分析显示，5-FU处理上调了对H₂O₂应答的基因，FMT处理后其表达水平降低（图5f，g）。H₂O₂对培养的HSC表现出剂量依赖性细胞毒性。用5μM H₂O₂预处理培养的HSC，减少HSC数量并诱导凋亡，随后用FMT或GSH处理细胞（图4h）。发现FMT显著去除细胞内H₂O₂（图5i，j），降低对H₂O₂应答基因的表达（图5k）。此外，FMT显著增加LSK细胞和LT-HSC数量，增强LT-HSC的集落形成能力并减少凋亡（图5l-n）。总之，FMT的CAT样活性可清除细胞内H₂O₂，减少H₂O₂诱导的DNA损伤和细胞毒性，促进造血损伤的HSC再生。

图5 RNA-seq显示FMT能清除应激HSC中的过氧化氢。（a）图示，来自预先用5-FU预处理的小鼠骨髓细胞中分离出的LT-HSCs的RNA-seq数据；（b）主要成分分析，来自预先用5-FU预处理的小鼠骨髓细胞中分离出的LT-HSCs的RNA-seq数据；（c）GO生物过程术语分析，比较5-FU与生理盐水对照组和5-FU与FMT对照组差异表达基因；（d）5-FU与生理盐水对照组和5-FU与FMT对照组差异表达基因的GSEA富集图，NES为归一化富集分数，FDR为错误发现率，统计检验为单侧检验，并进行了多重比较校正；（e）三组间差异表达基因的表达热图；（f）簇1中差异表达基因的GO生物过程术语分析，统计检验为单侧检验，并进行了多重比较校正；（g）三组间过氧化氢反应基因的表达；（h）小鼠骨髓细胞中过氧化氢预处理和FMT共培养的示意图；（i）PBS-、50 μg/ml FMT-或50 μg/ml GSH-共培养的骨髓细胞中LT-HSCs的胞内过氧化氢含量，经5 μM过氧化氢预处理；（j）从PBS-、50 μg/ml FMT-或50 μg/ml GSH-共培养的骨髓细胞中分离出的LT-HSCs的过氧化氢荧光成像，经5 μM过氧化氢预处理；（k）从PBS-或50 μg/ml FMT-共培养的骨髓细胞中分离出的LT-HSCs的过氧化氢反应基因mRNA表达，经5 μM过氧化氢预处理；（l）代表性流式图，显示PBS-、50 μg/ml FMT-或50 μg/ml GSH-共培养的骨髓细胞中LSK细胞和LT-HSCs的数量，经5 μM过氧化氢预处理；（m）PBS-、50 μg/ml FMT-或50 μg/ml GSH-共培养的骨髓细胞中LSK细胞的数量，经5 μM过氧化氢预处理；（n）PBS-、50 μg/ml FMT-或50 μg/ml GSH-共培养的骨髓细胞中LT-HSCs的数量，经5 μM过氧化氢预处理

（5）FMT促进移植HSC的再生

研究发现，FMT在恢复应激HSC中具有潜在治疗益处，并能改善AML小鼠中HSCT的疗效。AML小鼠接受8.5 Gy致死剂量TBI作为HSCT预处理方案，照射后24小时进行HSCT，并在移植后施用FMT六次（图6a）。4周后，对照和FMT处理小鼠的PB、BM和脾脏中几乎检测不到白血病细胞，且PB中成熟血细胞在移植后4周内逐渐恢复（图6b）。FMT处理小鼠的PB血细胞在第15天恢复更快（图6b），28天内寿命延长。第28天分析显示，FMT处理小鼠的BM中总细胞、MPP、LSK细胞和LT-HSC数量增加（图6c、d），LT-HSC的细胞内H₂O₂含量、ROS水平和凋亡减少（图6e）。

为评估FMT处理后移植HSC的长期再生能力，进行二次移植（图6a）。与对照组相比，接受FMT处理小鼠LT-HSC的受体总体再增殖率和供体来源成熟谱系显著增加（图6f，g）。FMT处理组120天内存活小鼠数量（6只）高于对照组（6只中的4只），尽管存活曲线无统计学显著差异。FMT处理后，二次移植HSC的H₂O₂和ROS浓度及凋亡显著降低（图6h和扩展数据图7i，j），供体来源LSK细胞和LT-HSC数量增加（图6i）。第三次移植显示，与对照组相比，FMT治疗组受体小鼠寿命显著延长（图6j）。结果表明，FMT治疗在AML的预处理桥接HSCT治疗中维持了移植HSC的长期造血能力。

图6 FMT增强了TBI预处理的AML小鼠中移植HSCs的长期再生能力。（a）AML小鼠经TBI预处理和HSCT后接受FMT治疗的示意图；（b）TBI预处理的AML小鼠在不同移植日后的白细胞、红细胞和血小板计数；（c）第28天小鼠骨髓中的总骨髓细胞数，生理盐水组和FMT组；（d）第28天小鼠骨髓中的LSK和LT-HSC数量，生理盐水组和FMT组；（e）第28天小鼠LT-HSCs中胞内过氧化氢的流式图及定量分析，生理盐水组和FMT组；（f）次级受者移植后16周时供体嵌合体在PB中的比例；（g）次级受者移植后16周时成熟谱系在PB和骨髓中的比例；（h）二次移植后16周次级受者LT-HSCs中细胞内过氧化氢的流式图及定量分析，生理盐水组和FMT组；（i）二次移植后16周次级受者骨髓中供体来源LSK细胞和LT-HSCs的数量；（j）接受次级受者骨髓细胞的致死剂量照射受者的Kaplan-Meier生存曲线；（k）示意图