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化疗不能有效地清除肿瘤干细胞是肿瘤复发的根本原因，其机制众说纷纭。以往的研究主要集中探讨肿瘤干细胞的内在性机理，包括耐药基因的表达、细胞周期静止状态、表观遗传基因改变以及亚克隆的遗传多样性获得等。近年来，随着对外在性因素（或肿瘤微环境）的初步研究，表明肿瘤微环境可为残留的肿瘤干细胞逃避化疗提供避难所。然而，肿瘤微环境的结构特征以及保护肿瘤干细胞的机制尚不清楚。本研究基于我们新近建立的离体外成像（ex vivo imaging）技术，结合传统的苏木素-伊红（HE）和免疫染色方法，在人急性淋巴细胞白血病（ALL）异体移植小鼠模型中，发现白血病细胞的浸润逐渐改变正常骨髓微环境结构，破坏骨髓血管微环境和骨髓骨内膜微环境。我们选取两个时间点的模型小鼠作为化疗对象：1.白血病细胞浸润尚未破坏正常骨髓微环境模型（第6天，D6model），化疗2天（A2D）或4天（A4D）后，残留白血病细胞位于骨髓血管微环境或骨髓骨内膜微环境中；2.白血病细胞浸润且完全破坏正常骨髓微环境模型（第12天，D12model），化疗2天或4天后，残留白血病细胞置身于新形成的骨髓微环境的包绕中。通过体内外的实验鉴定化疗后模型中新的骨髓微环境细胞组分，发现新的骨髓微环境一过性动态演化：Nestin+Vimentin+CCR1+CD51+CD29+间充质干细胞启动微环境的形成，分化成熟为α-SMA+Vimentin+成纤维样细胞，残留网状纤维（reticulin fibers）为终点，我们命名为NSM-niche。机制研究发现化疗后存留的白血病分泌趋化和细胞因子募集、增殖和诱导分化间充质干细胞形成NSM-niche。同样，利用离体外成像技术和传统的免疫染色方法，发现NSM-niche并非为残留白血病细胞提供一个物理性屏障，致使药物不能有效到达白血病细胞而起保护作用，也非通过使残留细胞处于静止状态，而起保护作用。进一步的研究发现，残留白血病细胞化疗损伤后分泌的前体生长和分化因子15（pro-GDF15）在niche细胞表达的蛋白剪切酶Furin作用下加工为成熟GDF15（mGDF5），进而结合自身的TGF-β受体，激活Smad3信号通路介导NSM-niche和残留白血病细胞之间的保护作用。阻断GDF15的表达或封闭其功能，结合阿糖胞苷化疗，可以有效提高化疗药物的杀伤作用和白血病小鼠的生存时间。有临床意义的是，在白血病病人骨髓原代细胞移植小鼠模型中，发现化疗后骨髓出现NSM-niche，而且证实残留的白血病细胞次代移植后具有重建白血病的能力，说明残留的白血病细胞为白血病干细胞。关键是在临床白血病病人的骨髓活检切片中，找到了NSM-niche直接存在的证据，而且只存在于化疗部分缓解的病例中，说明NSM-niche的形成与化疗反应或预后相关。总之，我们的研究第一次发现在白血病（或肿瘤）早期化疗过程中，白血病干细胞（或肿瘤干细胞）形成一个动态演化微环境用以保护其免受化疗的损伤。