[科普中國]-誘導(dǎo)多能干細胞

通過采用導(dǎo)入外源基因的方法使體細胞去分化為多能干細胞，對于這類干細胞我們稱之為誘導(dǎo)多能干細胞（IPS，Induced Pluripotent Stem Cells）。1

誘導(dǎo)多能干細胞為類似于胚胎干細胞的細胞，同時也具有強大的自我更新能力和多向分化潛能，具有未分化和低分化的特征。2

歷史誘導(dǎo)多能干細胞最早是2006年由日本的兩位科學家Kazutoshi Takahashi和Shinya Yamanaka報道，文章發(fā)表于。Shinya Yamanaka最終因此而獲得2012年諾貝爾獎。

2007年11月，由中國科學家俞君英領(lǐng)銜的Thompson實驗室和山中伸彌實驗室?guī)缀跬瑫r報道，利用誘導(dǎo)多能干細胞技術(shù)同樣可以誘導(dǎo)人皮膚纖維母細胞成為幾乎與胚胎干細胞完全一樣的多能干細胞。

2014年9月，一名罹患退行性眼病的日本患者將成為全球使用誘導(dǎo)多能干細胞（iPS）進行治療的第一人。

誘導(dǎo)多能干細胞（induced pluripotent stem cells, iPS cells）最初是日本科學家山中伸彌（Shinya Yamanaka）于2006年利用病毒載體將四個轉(zhuǎn)錄因子（Oct4, Sox2, Klf4 和c-Myc）的組合轉(zhuǎn)入分化的體細胞中，使其重編程而得到的類似胚胎干細胞和胚胎APSC多能細胞的一種細胞類型。

發(fā)展上述觀點一經(jīng)報道立即引起全球?qū)W者的普遍關(guān)注，時至今日關(guān)于IPS的研究在廣度上業(yè)已涉及多個物種，在深度上對導(dǎo)入外源基因的方法、誘導(dǎo)的原理上亦多有報道。

這個技術(shù)打破了人們對干細胞能分化為體細胞這一過程不可逆的偏見，而為將來我們獲取干細胞新增了一個途徑。

2017年7月，中國安徽省首批高品質(zhì)科研級人類誘導(dǎo)多功能干細胞iPSC在合肥發(fā)布。3

技術(shù)突破iPS技術(shù)iPS技術(shù)是干細胞研究領(lǐng)域的一項重大突破，它回避了歷來已久的倫理爭議，解決了干細胞移植醫(yī)學上的免疫排斥問題，使干細胞向臨床應(yīng)用又邁進了一大步。隨著iPS技術(shù)的不斷發(fā)展以及技術(shù)水平的不斷更新，它在生命科學基礎(chǔ)研究和醫(yī)學領(lǐng)域的優(yōu)勢已日趨明顯。

美國哈佛大學研究人員采取添加特殊化合物的方法，將體細胞制造IPS的效率提高了100多倍。這項研究在大鼠實驗中已獲得成功，而在制造人類IPS時也可采取同樣方法，以提高效率。該成果被業(yè)界稱為IPS研究中的一大進步。

IPS是由一些多能遺傳基因?qū)肫つw等細胞中制造而成。在制造過程中，美國研究人員使用了4種遺傳基因，同時加入了7種包括可阻礙特定蛋白質(zhì)合成的物質(zhì)和酶在內(nèi)的化合物，以研究其各自的制造效率。研究結(jié)果顯示，沒有添加化合物時，遺傳基因的導(dǎo)入效率為0.01%~0.05%，而加入了一種叫“巴爾普羅酸”的蛋白質(zhì)合成阻礙劑之后，導(dǎo)入效率竟升至9.6%~14%。

如果從這4種遺傳基因中排除導(dǎo)致細胞癌化的遺傳基因，只使用3種基因，過去的導(dǎo)入效率只有0.001%甚至更低，而加入“巴爾普羅酸”之后，其效率也提高了約50倍。研究人員認為，這很可能是因為“巴爾普羅酸”可以促進多能遺傳基因的活性。今后，研究人員將就添加化合物是否會使遺傳基因產(chǎn)生變異展開研究，以在提高制造效率的同時保證安全性。

2012年10月8日，京都大學教授山中伸彌（Shinya Yamanaka）與英國發(fā)育生物學家約翰·格登（John Gurdon）因在細胞核重新編程研究領(lǐng)域的杰出貢獻而獲得諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。

獲批人體實驗2014年9月11日，治療使用的iPS細胞由日本神戶理化研究所（RIKEN）發(fā)育生物學中心的眼科專家高橋雅代培育而成，將用于治療與年齡相關(guān)的視網(wǎng)膜退化疾病。罹患這一疾病的病患，多余的血管會在眼內(nèi)形成，讓視網(wǎng)膜色素上皮細胞變得不穩(wěn)定，導(dǎo)致感光器不斷減少，最終失明。

高橋雅代從罹患這一疾病的患者那兒提取到了皮膚細胞，并將其轉(zhuǎn)化為iPS細胞，接著，誘導(dǎo)iPS細胞變成視網(wǎng)膜色素上皮細胞，最后將其培育成能被植入受損視網(wǎng)膜內(nèi)的纖薄層。與胚胎干細胞不同，iPS細胞由成人細胞生成，因此，研究人員可以通過遺傳方法為每個受體度身定制。iPS細胞能變成身體內(nèi)的任何細胞，因此，有潛力治療多種疾病。即將進行的人體實驗將是這一技術(shù)首次證明iPS細胞在臨床方面的價值。

高橋雅代團隊已經(jīng)在猴子身上證明，iPS細胞能由受體自身的細胞生成，且不會誘發(fā)免疫反應(yīng)；盡管如此，還是存在隱憂，那就是，iPS細胞可能會導(dǎo)致腫瘤出現(xiàn)，不過，高橋雅代團隊發(fā)現(xiàn)，在老鼠和猴子身上不太可能出現(xiàn)腫瘤。為了消除人們的其他擔憂——生成iPS細胞的過程可能會導(dǎo)致危險的變異，高橋雅代的團隊也對整個過程和生成iPS細胞的遺傳穩(wěn)定性進行了測試，結(jié)果表明一切正常。4

安全性問題受體細胞及飼養(yǎng)層細胞對誘導(dǎo)多能干細胞全能性和分化后細胞功能的影響

誘導(dǎo)多能干細胞技術(shù)主要是從人體的遺傳學方面進行模擬，故難以對以環(huán)境因素刺激作為主導(dǎo)作用的疾病進行構(gòu)建理想的體外細胞模型并進行細胞治療。誘導(dǎo)多能干細胞移植到體內(nèi)后的再分化機制不明確，有報道誘導(dǎo)多能干細胞自體移植具有免疫原性，目前利用誘導(dǎo)多能干細胞技術(shù)可在體外將細胞誘導(dǎo)分化為所需的靶細胞，但將分化后的細胞移植入體內(nèi)后其如何分化及分化機制仍知之甚少，故仍需進一步研究誘導(dǎo)多能干細胞胞定向分化機制。此外，目前無具體的檢測系統(tǒng)來評價移植后功能細胞的效率及安全性。

最初誘導(dǎo)多能干細胞體外培養(yǎng)所用的飼養(yǎng)層細胞為小鼠胚胎成纖維細胞，其需要添加必要的生長因子或除去抑制因子來實現(xiàn)細胞自我更新，但值得注意的是動物源性血清的安全性問題，包括可能存在具免疫活性物質(zhì)、傳播動物病毒及感染蛋白質(zhì)，此外可能有某些難以控制的成分，作者所在實驗室對收集尿液細胞經(jīng)誘導(dǎo)去分化后，使用無血清完全培養(yǎng)基，避免了以上種種安全隱患，不僅可用于誘導(dǎo)多能干細胞的誘導(dǎo)和維持，也可支持誘導(dǎo)多能干細胞的自我更新及提供細胞多能性所需要的生長因子及代謝物。2

細胞基因結(jié)構(gòu)變異

雖然誘導(dǎo)多能干細胞技術(shù)增加了干細胞的來源，但也增加了細胞變異的風險，從而影響誘導(dǎo)多能干細胞的安全性?，F(xiàn)今對誘導(dǎo)多能干細胞技術(shù)機制的研究逐漸從轉(zhuǎn)錄因子相關(guān)的轉(zhuǎn)錄組水平、蛋白質(zhì)組水平轉(zhuǎn)移到表觀遺傳學方面，經(jīng)典方法誘導(dǎo)誘導(dǎo)多能干細胞產(chǎn)生的變異主要源自于染色體異常、基因拷貝數(shù)變異、點突變等幾個方面。有研究表明，胚胎干細 胞特 異性 染色 質(zhì)重 構(gòu)復(fù)合體BAF中的 Brg1 和BAF155，能夠協(xié)同Oct4、Sox2、Klf4三個因子對成纖維細胞重編程，這些染色質(zhì)重構(gòu)不但有利于Oct4對其下游基因的調(diào)控，另一方面也增強了了Oct4蛋白結(jié)合Sall4、Tcf3和Dppa4基因啟動子區(qū)的能力。在誘導(dǎo)過程中也會出現(xiàn)一些變異，有些體細胞會在誘導(dǎo)過程中受損，誘導(dǎo)本身也會導(dǎo)致拷貝變異增加，同樣培養(yǎng)的時間越長變異的積累也會越多。此外，不同檢測方法對誘導(dǎo)多能干細胞遺傳穩(wěn)定性的檢測結(jié)果也不相同，現(xiàn)代分子遺傳學分析技術(shù)比傳統(tǒng)細胞遺傳學分析技術(shù)發(fā)現(xiàn)了更多誘導(dǎo)多能干細胞的遺傳異常。2

誘導(dǎo)因子的致瘤性與優(yōu)化

誘導(dǎo)產(chǎn)生誘導(dǎo)多能干細胞因子的潛在致癌性，在一定程度上增加了人們對誘導(dǎo)多能干細胞技術(shù)臨床應(yīng)用安全性的顧慮，但也激發(fā)了科研人員對誘導(dǎo)因子的深入研究。有報道稱，超過40%在基因突變水平表現(xiàn)變異的基因和腫瘤有關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，誘導(dǎo)多能干細胞技術(shù)中用到的6個誘導(dǎo)因子(Oct3/4、Sox2、c-Myc、Klf4、Lin28、Nanog)，除Lin28還未發(fā)現(xiàn)與腫瘤發(fā)生有關(guān)外，其余5個都是癌基因，其過表達常與腫瘤有關(guān)。C-Myc是一種原癌基因，可在多種腫瘤中可檢測到，可促進細胞增殖和轉(zhuǎn)化。Nakagawa等對Oct4、Sox2和Klf4的組合研究發(fā)現(xiàn)，缺少c-Myc會導(dǎo)致ips細胞誘導(dǎo)障礙，它的致瘤性能抑制重編程，也會增加誘導(dǎo)多能干細胞傳代期間的細胞轉(zhuǎn)換頻率，當Myc轉(zhuǎn)基因在誘導(dǎo)多能干細胞中持續(xù)作用時，也能增加腫瘤形成的風險性。Oct3/4可誘導(dǎo)細胞向類胚胎干細胞變化而遠離腫瘤細胞，且其強制表達可維持胚胎干細胞的形態(tài)。

常規(guī)方法誘導(dǎo)誘導(dǎo)多能干細胞使其重新編程成為類似胚胎干細胞功能的細胞，是需要綜合多種病毒傳導(dǎo)因子共同參與的，而Okita等發(fā)現(xiàn)每一個誘導(dǎo)多能干細胞克隆包含3-6個反轉(zhuǎn)錄病毒集合，且每一個克隆都有超過20個反轉(zhuǎn)錄病毒結(jié)合位點，每一個位點都有可能增加癌變的風險。近些年來不少科學家運用降低外源基因隨機整合的實驗方法提高安全性，例如2014年有實驗組應(yīng)用成熟雙鏈RNA(miRNAs)將小鼠和人類細胞重編程為誘導(dǎo)多能干細胞。中國吳森教授將Oct4、Sox2、Klf4、c-Myc、Nanog、in28、Nr5a2、microRNA302/367和正負篩選標記基因構(gòu)建到一個非整合型質(zhì)粒上，當獲取誘導(dǎo)多能干細胞后，通過篩選獲得無非整合型質(zhì)粒的細胞，從而確保無外源基因插入。2

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

江松敏 - 副教授 - 復(fù)旦大學