造血干细胞是各种血细胞的原始细胞，具有自我更新和多系分化潜能。造血干细胞经过增殖和定向分化为红细胞、粒细胞、血小板、单核巨噬细胞和淋巴细胞等各系成熟血细胞，以保证机体对血细胞的生理需要和应激状态时的大量需求，是目前能安全有效地用于临床移植治疗的成体干细胞。

人体造血过程分为三个阶段，胚胎外造血期——卵黄囊造血期（人胚胎第13～16天）、胎肝造血期（人胚胎第6周至第5个月）和骨髓造血期（胚胎第4个月开始至终身）。但有少数新近研究发现，副主动脉脏层／主动脉-性腺-中肾（PASAGM）区是最早能检测到早期多能祖细胞和造血干细胞活性的部位，而人卵黄囊的细胞在血液循环建立后才具有淋系和髓系的造血潜能。出生后，造血干细胞主要存在于骨髓，在应用动员剂后也能迁移到外周血液并穿梭于骨髓和外周血液之间，为造血干细胞的采集和输注提供了方便。临床上HSCT技术已经比较成熟，成为治疗难治性血液病、免疫缺陷性疾病和恶性肿瘤等的重要手段。近年对造血干细胞研究取得的进展，为造血干细胞的来源和临床应用提供了新的思路。

目前普遍认为，人造血干细胞表达CD34 ^-、c-kit ⁺、Thy-1 ⁺、Sca-1 ⁺、CD133 ⁺、Lin ^-、CD38 ^-、HLA-DR ^-、CD45RA ^-和CD71 ^-。需要指出的是，CD34 ⁺Lin ^-造血细胞又起源于CD34 ^-Lin ^-。通过筛选CD34 ⁺细胞可以使造血干细胞得到富集。

形态学上，造血干细胞具有不成熟细胞的共同特征：类似小淋巴细胞，胞核大而胞质少，核染色质呈开放状态并有明显的核仁，胞质中RNA丰富使瑞特染色显深蓝色。故单凭细胞形态难以鉴别造血干细胞。

在生理条件下，造血过程实际上是造血干／祖细胞增殖、分化、形成血细胞的动态平衡过程。造血干细胞的生物学特性，尤其是自我更新的能力和多向分化潜能，是维持正常造血的重要因素。

造血干细胞是造血祖细胞的来源，它在体内数量极少，且95%以上处于静止期（G0期）。每日都会有少量的造血干细胞随机进入细胞增殖周期，最终分化成大量的终末细胞以维持机体正常血液学状态。造血干细胞在不断产生造血祖细胞的同时能使自身的数量和特性保持不变，维持了成熟动物体内造血干细胞总数的相对恒定，这种特性称为自我更新（selfrenewal）。它使干细胞池的大小和质量保持不变，又称自我维持（self-maintenance）。

自我更新通过以下两种方式完成：①单个细胞的不对称分裂（individual asymmetric cell division）：产生一个子代干细胞和一个迅速分化为祖细胞的子代细胞。②群体性不对称分裂（populational asymmetric cell division）：干细胞分裂产生的两个子代细胞均具有成为干细胞和定向祖细胞的能力，它们分别成为干细胞和定向祖细胞。在稳态状态下，每个干细胞平均产生一个干细胞和一个祖细胞，它的不对称分裂是建立在细胞群而不是单个细胞的基础上。其细胞命运决定机制和调节因子与微环境相关。

自我更新的特性使造血干细胞既维持了机体整个生存期的造血又不被耗竭。但造血干细胞的连续移植实验及体内克隆水平定量检测均提示：造血干细胞所具有强大的自我更新能力是有限的。在造血发生过程中，造血干细胞池不断扩大，但在成人骨髓和脾脏中并非如此，说明造血干细胞的自我更新能力和系定向分化可能也受到空间上暂时的调控。某些胚胎期的细胞具有成体造血干细胞所不具备的特性可能解释这一现象。

近年研究发现，骨髓间充质干细胞（BMSC）的分化达到动态平衡亦是造血功能正常的关键。BMSC是造血干细胞的造血支持基质，是造血干细胞的重要组成部分和调节因子。BMSC的成骨作用在造血过程中起着核心作用，而BMSC的成脂分化对造血组织的恢复和重建有负调控作用。BMSC的成骨成脂达到平衡对于造血是非常重要的。多种因素，包括衰老、肥胖、放疗和化疗等均可导致BMSC分化异常及相关造血系统功能紊乱。因此，纠正BMSC分化失衡是促进骨髓造血功能恢复的一个关键。

在分化成一个成熟的血细胞过程中，造血干细胞要进行17～19次的细胞分裂，细胞的净增量为1.7×10 ⁵～7.2×10 ⁵之间。造血干细胞生成共同淋系祖细胞（CLP），共同髓系祖细胞（CMP），通过祖细胞边增殖边分化最终实现多系造血。CLP能生成B、T、DC和NK细胞，而CMP生成红细胞、巨核细胞、血小板、粒细胞和单核细胞。最终生成的终末分化细胞不能进行分裂，完成其生命周期后即发生凋亡。

在造血干／祖细胞向不同类型的血细胞分化的过程中，许多关键的生长因子起诱导作用。它们之间通过复杂的相互作用形成了一个体系，以精确地控制和协调血细胞的生成。目前人们已经可以将表型和功能不同的造血细胞亚群加以区分。但是，决定造血干／祖细胞的分化的机制存在两种模型争议，即：细胞固有基因表达所决定的随机过程即随机性模型和由细胞外信号分子所决定的指导性过程即指导性模型。前者认为造血细胞固有的整套基因按所编程序在正常调控下逐一展开表达，决定细胞的形态、行为和功能的有序变化，进而决定细胞定向于各自的方向分化。对单一细胞而言这种定向分化的决定是随机的过程。外部环境如造血生长因子对单个细胞的命运不起决定作用。而造血干／祖细胞分化的指导性模型认为所有造血细胞内的基因及其表达程序都是相同的。对单一细胞而言，外部环境中生长刺激或抑制因子的作用决定其分化方向，这种定向是非对称非随机的。

细胞因子作为造血细胞命运的调节者，支持造血干细胞系定向分化是一指导性过程。体外培养环境下，GM-CSF促进其向中性粒细胞分化，而M-CSF则促进其分化成巨噬细胞。这表明特殊的细胞因子决定祖细胞分化的命运，似乎支持造血干细胞分化的指导性模型。然而这一结果也可能说明细胞因子仅仅促进了已经要定向分化成某一系列细胞的祖细胞亚群的生长。事实上，GM-CSF基因敲除的小鼠具有接近正常的GM-CFC和中性粒细胞，而G-CSF基因缺乏的小鼠虽然中性粒细胞严重减少（仍存在一些中性粒细胞），但GM-CFC数仍接近正常水平。说明虽然缺乏GM-CSF和G-CSF对造血祖细胞的刺激，但这对GM-CFC的定向分化并未有明显的影响。基因敲除小鼠中可能存在着代偿途径使以上实验并不能完全排除造血干细胞分化的指导性模型。但携带修饰的生长因子受体的转基因小鼠模型和生长因子受体基因错义表达的小鼠模型的研究均发现和证实，生长因子虽然可影响已定向的各系列细胞的成熟和分化，但并不决定造血干细胞的分化命运，祖细胞所表达的全部生长因子受体可能是祖细胞定向分化的结果而不是原因。这些提示造血细胞固有基因的表达决定着造血干／祖细胞的分化和命运。

有研究显示转录因子在造血干／祖细胞的系定向分化中发挥作用。如转录因子SCL/tal-1基因敲除导致小鼠胚胎期因完全的造血细胞缺乏而死亡，并且这种缺陷可能发生于中胚层的细胞定向向造血细胞系分化时，处于造血干细胞发育的上游。PU.1仅表达于造血细胞，当其表达异常时阻碍淋巴系和髓系细胞的发育。并且不表达PU.1的祖细胞缺乏对生长因子GM-CSF、M-CSF和G-CSF的反应性。此外，其他一些转录因子C/EBP（CCAAT enchancer binding protein）、Pax5、E2A、Jak/STAT、GATA-1等也参与了造血干／祖细胞命运的决定。这些转录因子往往并非单独起作用，而是多个转录因子相互作用、共同调控转录。

基质细胞因子的不同组合可调控不同的造血干细胞的分化、增殖和自我更新。具有重建造血功能的造血干细胞可通过鉴定体内维持长时间的造血生成能力而获得。最近证据表明持久自我更新的造血干细胞亚型具有持久的自我更新，但具有不同的自我持续的分化功能。体内持久自我更新的造血干细胞保留了造血组织扩增能力，然而这些研究缺乏体外实验研究的分子基础。体外可能需要多种因素共同促进造血干细胞的生存、维持和自我更新。含有不同的调节因子组合可显著地支持造血干细胞的存活和维持持久自我更新功能。此外，基质细胞产生多种因子，包括神经生长因子和胶原蛋白，可抵御原始成体造血干细胞的凋亡，并与SF和IL-11结合，在7天内产生15倍的持久自我更新细胞。这些发现揭示了造血干细胞控制和扩增的分子机制。

在造血发育过程中由于自我更新能力的差异导致了造血干细胞的异质性，即造血干/祖细胞并非均一的细胞群体。血液和免疫细胞来源于多能造血干细胞。以往干细胞及祖细胞群体被认为是源于同质群体。然而，最近的新技术进展揭示了造血干细胞具有明显的异质性，从早期造血干细胞谱系到造血组织分化的多谱系都提示造血干细胞具有明显的细胞异质性。这些发现从多方面挑战了以往有关造血干细胞的生物学观念。纵览最近研究发现：进一步探索造血干细胞异质性的起因和结局具有深远意义。新技术研究揭示了造血干细胞异质性特征，包括且不局限于细胞内谱系的复杂分子调控，细胞转录水平多层次的调控，和早期造血干细胞差异等。这些发现丰富了我们对造血干细胞如何进入血液系统及维持造血代谢平衡的认识，也满足了人体器官造血组织重建与功能恢复的重大临床需求。

造血干细胞异质性的系列研究将为血液病的发生机制和治疗提供依据。在研究人类疾病演变背景下，造血干细胞异质性不仅涉及了一系列的造血干细胞肿瘤的发生发展，以及造血干细胞分化发育，造血干细胞异质性同样广泛地涉及了造血干细胞功能与疾病进程，如造血干细胞骨髓衰竭综合征或衰老过程。造血干细胞异质性具有许多重要特征，表现出与经典造血模型树不一致，包括细胞固有谱系差异、转录谱系启动和早期造血干细胞谱系分离异质。

根据造血干细胞的高增殖分化潜能，功能验证可作为判别造血干细胞的证据。鉴别造血干细胞的金标准是体内移植后能重建损伤的造血和免疫功能。据此，将多潜能的造血干/祖细胞分为三个不同的细胞群：长期造血干细胞（LT-HSC）、短期造血干细胞（ST-HSC）和多潜能祖细胞（MPP）。实验结果证明长期培养启动细胞（LTC-IC）在体外培养12周后还有重建造血和免疫的能力，可作为体外判别造血干细胞的依据，其自我更新能力可保持整个生命过程。而ST-HSC的自我更新能力只能维持约8周，MPP则丧失了自我更新能力。成体小鼠中每天约8%的LT-HSC随机进入细胞周期，当LT-HSC分化为MPP时，处于细胞周期中增殖的细胞比例增加。年老小鼠中，大多数的LT-HSC均处于细胞周期中。小鼠所有的造血干细胞在1～3个月内完成一次细胞周期。当机体发生缺氧、失血、感染、创伤等应激状态时，较多的造血干细胞从静止期转至增殖周期以满足机体对造血的需求。说明随着造血干细胞的发育，其自我更新能力逐渐丧失。

细胞有丝分裂的次数称为细胞的代龄，不同代龄的造血干细胞构成了干细胞群体的代龄结构，也参与形成了造血干细胞的异质性。代龄的增大即细胞有丝分裂次数的增多使造血干细胞自我更新和自我维持的能力有所下降。稳态时这并不影响正常造血，但遇到应激情况时，代龄小的造血干细胞重建造血的能力要强于代龄大的造血干细胞。正常胎肝、脐血来源的造血干细胞的代龄较骨髓或未经动员剂动员的PBSC代龄小，因而前者重建造血潜能强于后者。同时，代龄大的造血干细胞经历了多次细胞分裂，如果发生了不可逆的基因突变，可能在p53等基因及其产物的作用下诱导细胞发生凋亡。这也是造血干细胞防止基因突变导致细胞恶性转化的自我保护机制。

出生后，骨髓造血干细胞动力学研究结果证明骨髓中存在相对恒定的造血干细胞池，保持着具有长期重建造血和免疫功能的LT-HSC。这是一些处于静止状态的细胞，它们受造血微环境的调控，长期处于静止状态或进入增殖周期。LT-HSC保持静止的机制，除微环境因素外也有其内在特点。它们是一些定位于骨内膜低氧化区的细胞，低氧化压迫使它们选择无氧糖酵解和脂肪酸氧化方式获取必要的能量ATP。其分子基础是LT-HSC能感受细胞内O ₂和ATP的变化，通过缺氧诱导因子HIF-1a活化糖酵解和脂肪酸氧化的相关基因。例如，丙酮酸脱氢酶激酶PDK1基因活化，产生大量PDK1阻止丙酮酸进入三羧酸循环；同时HIF-1a活化乳酸脱氢酶基因，使乳酸脱氢酶增加，促进丙酮酸生成乳酸和ATP。这种无氧糖酵解代谢方式不但耗氧量少，还能快速生成ATP和提供合成蛋白质和核酸所必需的原料。而丙酮酸进入三羧酸循环在线粒体中通过氧化磷酸化途径生成ATP，不但耗氧，还会生成活性氧分子ROS。ROS是细胞的内源性杀手，选择无氧糖酵解代谢方式的细胞可少受ROS的损伤。已有大量研究结果证明各种干细胞和肿瘤细胞都选择无氧糖酵解代谢方式在体内长期生存。造血干细胞的代谢特征是造血干细胞能在体内长期生存的内在因素。

发育过程中，造血干细胞在骨髓和身体的其他部位之间存在着动态的迁移运动。这种迁移主要依赖趋化因子-基质细胞衍生因子-1（SDF-1）和其受体CXCR4的相互作用。生理情况下，SDF-1组成性表达于人和小鼠的骨髓内皮及富集造血干细胞的骨内膜区域。许多基质细胞如成骨细胞、脂肪细胞、成纤维细胞和内皮细胞等都能分泌SDF-1。而它的7次跨膜G蛋白偶联受体CXCR4表达于神经元、上皮细胞、内皮细胞、许多淋巴系和髓系细胞及成熟和不成熟的造血细胞，人CD34 ⁺/CD38 ^-细胞及小鼠的Sca-1 ⁺/c-kit ⁺/Lin ^-细胞表面也有其表达。

SDF-1或其受体CXCR4基因敲除的小鼠均无骨髓造血功能，但胎肝的造血活性却完全保留，说明SDF-1/CXCR4在小鼠胚胎造血干细胞的迁移和发育中发挥发挥重要作用。而在成体造血干细胞迁移研究中发现，位于骨内膜区的成骨细胞分泌SDF-1，造血干细胞表达SDF-1受体而定位于骨内膜区，在该环境下维持静息状态。

HSCT后造血干细胞由静脉输入，经外周血液循环进入受体后，必须在骨髓内准确地识别和定位并与造血微环境相结合，进行增殖、分化，才能发挥重建宿主造血和免疫功能，这一过程称为归巢。Oostendorp等发现，移植后22小时，外周血、肝、脾中的细胞约半数发生第1次有丝分裂，骨髓中90%以上还未分裂，提示骨髓造血组织是主要归巢部位。只有归巢至骨髓的造血细胞才能进一步的增殖和分化，进而重建宿主造血和免疫功能。

造血干细胞的归巢能力反映了HSCT的植入效率，目前其机制尚不完全清楚。但多认为造血干细胞的归巢是一个多步骤的级联效应过程，由黏附分子和趋化分子介导，有骨髓内皮细胞、造血干细胞、骨髓造血微环境及其分泌或表达的分子共同参与。造血干细胞归巢的基本路径为：①造血干细胞借助自身特异性表达的细胞黏附分子与髓窦微血管内皮细胞接触，并穿越内皮孔径进入其血管外间隙的骨髓造血微环境；②造血干细胞进一步通过细胞黏附分子与细胞因子间作用，结合并定植于骨髓造血微环境的基质细胞和ECM，并在它们所分泌的细胞因子调控下增殖和分化。

造血干细胞的动员包括细胞与细胞间、细胞与基质间以及细胞内的信号传导途径之间的相互作用，它们影响着造血干细胞的增殖、分化、迁移和凋亡。临床上应用G-CSF和GMCSF等作为造血干细胞动员剂刺激造血干细胞从骨髓释放。分析G-CSF和环磷酰胺的动员效应发现：应用这些动员剂后骨髓的造血干细胞进入细胞周期，但是动员出的造血干／祖细胞绝大多数是非增殖的，这表明静止的造血干细胞优先被动员。FLIP等提出了启动-增殖-外迁-适应的动员模型。将动员过程人为地划分为4个阶段：①动员剂和细胞因子直接或间接地激活整个体系；②激活信号作用于造血干／祖细胞，使其发生表型的改变并增殖；③造血原始细胞因其与骨髓基质细胞相互黏附作用的减弱以及在化学诱导改变的作用下，穿越血管内皮细胞层，进入外周血；④动员后细胞表面物质的表达发生了改变，能够更好地适应新的生存环境，凋亡和归巢的趋向性都大大减弱。

造血干细胞的归巢和动员是一对矛盾，前者需要造血干／祖细胞对骨髓的黏附能力增加而后者则要求这种能力降低。但是较多的研究均发现，一些共同的因素如：造血微环境、细胞黏附分子、趋化因子、细胞周期状态等均参与了造血干细胞的归巢和动员。

随着干细胞生物学研究的不断深入，已经发现组织特异性干细胞的分化潜能并非局限于特定组织器官的细胞，它们在特定环境下可被诱导为其他类型组织或器官的细胞，即具有跨系甚至跨胚层分化发育的能力。成体干细胞这种跨系统分化的能力称为可塑性。

造血干细胞的可塑性是指除可以分化为各系血细胞外，还可以分化为多种非造血组织的细胞，如神经细胞、骨骼肌细胞、心肌细胞、肝脏细胞、血管内皮细胞以及多种组织的上皮细胞等。Lagasse等报道，将纯化的正常小鼠骨髓造血干细胞植入先天性肝酶代谢异常的小鼠体内，在肝内可检测到供体细胞分化而来的具有白蛋白分泌功能的肝细胞，其细胞表达小鼠造血干细胞的表型，即为：c-kit ⁺ Thy-1 ⁺ Lin ^-Sca-1 ⁺，因此这些肝细胞仅来源于供体骨髓中的造血干细胞。Theise等在对辐射致骨髓破坏的小鼠进行骨髓移植中也发现，供体来源的骨髓细胞能分化成肝细胞，其表型为CD34 ⁺ Lin ^-，与造血干细胞表型基本相符。同样，在骨髓来源的干细胞分化为心肌细胞、上皮细胞等的研究中也证实这些细胞为造血干细胞的来源，这些均表明造血干细胞能向以上类型的细胞转化。

可塑性分化的机制目前尚不清楚，横向分化、脱分化或细胞重新程序化等都被用来解释这一现象，但目前都缺乏相关的实验研究和验证。对于成体干细胞可塑性的一个合理的解释是成体组织中存在未定向的干细胞，它们能分化为许多或所有的组织，而局部的环境因素可能指导这一分化途径。