[科普中国]-诱导多能干细胞

通过采用导入外源基因的方法使体细胞去分化为多能干细胞，对于这类干细胞我们称之为诱导多能干细胞（IPS，Induced Pluripotent Stem Cells）。1

诱导多能干细胞为类似于胚胎干细胞的细胞，同时也具有强大的自我更新能力和多向分化潜能，具有未分化和低分化的特征。2

历史诱导多能干细胞最早是2006年由日本的两位科学家Kazutoshi Takahashi和Shinya Yamanaka报道，文章发表于。Shinya Yamanaka最终因此而获得2012年诺贝尔奖。

2007年11月，由中国科学家俞君英领衔的Thompson实验室和山中伸弥实验室几乎同时报道，利用诱导多能干细胞技术同样可以诱导人皮肤纤维母细胞成为几乎与胚胎干细胞完全一样的多能干细胞。

2014年9月，一名罹患退行性眼病的日本患者将成为全球使用诱导多能干细胞（iPS）进行治疗的第一人。

诱导多能干细胞（induced pluripotent stem cells, iPS cells）最初是日本科学家山中伸弥（Shinya Yamanaka）于2006年利用病毒载体将四个转录因子（Oct4, Sox2, Klf4 和c-Myc）的组合转入分化的体细胞中，使其重编程而得到的类似胚胎干细胞和胚胎APSC多能细胞的一种细胞类型。

发展上述观点一经报道立即引起全球学者的普遍关注，时至今日关于IPS的研究在广度上业已涉及多个物种，在深度上对导入外源基因的方法、诱导的原理上亦多有报道。

这个技术打破了人们对干细胞能分化为体细胞这一过程不可逆的偏见，而为将来我们获取干细胞新增了一个途径。

2017年7月，中国安徽省首批高品质科研级人类诱导多功能干细胞iPSC在合肥发布。3

技术突破iPS技术iPS技术是干细胞研究领域的一项重大突破，它回避了历来已久的伦理争议，解决了干细胞移植医学上的免疫排斥问题，使干细胞向临床应用又迈进了一大步。随着iPS技术的不断发展以及技术水平的不断更新，它在生命科学基础研究和医学领域的优势已日趋明显。

美国哈佛大学研究人员采取添加特殊化合物的方法，将体细胞制造IPS的效率提高了100多倍。这项研究在大鼠实验中已获得成功，而在制造人类IPS时也可采取同样方法，以提高效率。该成果被业界称为IPS研究中的一大进步。

IPS是由一些多能遗传基因导入皮肤等细胞中制造而成。在制造过程中，美国研究人员使用了4种遗传基因，同时加入了7种包括可阻碍特定蛋白质合成的物质和酶在内的化合物，以研究其各自的制造效率。研究结果显示，没有添加化合物时，遗传基因的导入效率为0.01%~0.05%，而加入了一种叫“巴尔普罗酸”的蛋白质合成阻碍剂之后，导入效率竟升至9.6%~14%。

如果从这4种遗传基因中排除导致细胞癌化的遗传基因，只使用3种基因，过去的导入效率只有0.001%甚至更低，而加入“巴尔普罗酸”之后，其效率也提高了约50倍。研究人员认为，这很可能是因为“巴尔普罗酸”可以促进多能遗传基因的活性。今后，研究人员将就添加化合物是否会使遗传基因产生变异展开研究，以在提高制造效率的同时保证安全性。

2012年10月8日，京都大学教授山中伸弥（Shinya Yamanaka）与英国发育生物学家约翰·格登（John Gurdon）因在细胞核重新编程研究领域的杰出贡献而获得诺贝尔生理学或医学奖。

获批人体实验2014年9月11日，治疗使用的iPS细胞由日本神户理化研究所（RIKEN）发育生物学中心的眼科专家高桥雅代培育而成，将用于治疗与年龄相关的视网膜退化疾病。罹患这一疾病的病患，多余的血管会在眼内形成，让视网膜色素上皮细胞变得不稳定，导致感光器不断减少，最终失明。

高桥雅代从罹患这一疾病的患者那儿提取到了皮肤细胞，并将其转化为iPS细胞，接着，诱导iPS细胞变成视网膜色素上皮细胞，最后将其培育成能被植入受损视网膜内的纤薄层。与胚胎干细胞不同，iPS细胞由成人细胞生成，因此，研究人员可以通过遗传方法为每个受体度身定制。iPS细胞能变成身体内的任何细胞，因此，有潜力治疗多种疾病。即将进行的人体实验将是这一技术首次证明iPS细胞在临床方面的价值。

高桥雅代团队已经在猴子身上证明，iPS细胞能由受体自身的细胞生成，且不会诱发免疫反应；尽管如此，还是存在隐忧，那就是，iPS细胞可能会导致肿瘤出现，不过，高桥雅代团队发现，在老鼠和猴子身上不太可能出现肿瘤。为了消除人们的其他担忧——生成iPS细胞的过程可能会导致危险的变异，高桥雅代的团队也对整个过程和生成iPS细胞的遗传稳定性进行了测试，结果表明一切正常。4

安全性问题受体细胞及饲养层细胞对诱导多能干细胞全能性和分化后细胞功能的影响

诱导多能干细胞技术主要是从人体的遗传学方面进行模拟，故难以对以环境因素刺激作为主导作用的疾病进行构建理想的体外细胞模型并进行细胞治疗。诱导多能干细胞移植到体内后的再分化机制不明确，有报道诱导多能干细胞自体移植具有免疫原性，目前利用诱导多能干细胞技术可在体外将细胞诱导分化为所需的靶细胞，但将分化后的细胞移植入体内后其如何分化及分化机制仍知之甚少，故仍需进一步研究诱导多能干细胞胞定向分化机制。此外，目前无具体的检测系统来评价移植后功能细胞的效率及安全性。

最初诱导多能干细胞体外培养所用的饲养层细胞为小鼠胚胎成纤维细胞，其需要添加必要的生长因子或除去抑制因子来实现细胞自我更新，但值得注意的是动物源性血清的安全性问题，包括可能存在具免疫活性物质、传播动物病毒及感染蛋白质，此外可能有某些难以控制的成分，作者所在实验室对收集尿液细胞经诱导去分化后，使用无血清完全培养基，避免了以上种种安全隐患，不仅可用于诱导多能干细胞的诱导和维持，也可支持诱导多能干细胞的自我更新及提供细胞多能性所需要的生长因子及代谢物。2

细胞基因结构变异

虽然诱导多能干细胞技术增加了干细胞的来源，但也增加了细胞变异的风险，从而影响诱导多能干细胞的安全性。现今对诱导多能干细胞技术机制的研究逐渐从转录因子相关的转录组水平、蛋白质组水平转移到表观遗传学方面，经典方法诱导诱导多能干细胞产生的变异主要源自于染色体异常、基因拷贝数变异、点突变等几个方面。有研究表明，胚胎干细 胞特 异性 染色 质重 构复合体BAF中的 Brg1 和BAF155，能够协同Oct4、Sox2、Klf4三个因子对成纤维细胞重编程，这些染色质重构不但有利于Oct4对其下游基因的调控，另一方面也增强了了Oct4蛋白结合Sall4、Tcf3和Dppa4基因启动子区的能力。在诱导过程中也会出现一些变异，有些体细胞会在诱导过程中受损，诱导本身也会导致拷贝变异增加，同样培养的时间越长变异的积累也会越多。此外，不同检测方法对诱导多能干细胞遗传稳定性的检测结果也不相同，现代分子遗传学分析技术比传统细胞遗传学分析技术发现了更多诱导多能干细胞的遗传异常。2

诱导因子的致瘤性与优化

诱导产生诱导多能干细胞因子的潜在致癌性，在一定程度上增加了人们对诱导多能干细胞技术临床应用安全性的顾虑，但也激发了科研人员对诱导因子的深入研究。有报道称，超过40%在基因突变水平表现变异的基因和肿瘤有关。研究发现，诱导多能干细胞技术中用到的6个诱导因子(Oct3/4、Sox2、c-Myc、Klf4、Lin28、Nanog)，除Lin28还未发现与肿瘤发生有关外，其余5个都是癌基因，其过表达常与肿瘤有关。C-Myc是一种原癌基因，可在多种肿瘤中可检测到，可促进细胞增殖和转化。Nakagawa等对Oct4、Sox2和Klf4的组合研究发现，缺少c-Myc会导致ips细胞诱导障碍，它的致瘤性能抑制重编程，也会增加诱导多能干细胞传代期间的细胞转换频率，当Myc转基因在诱导多能干细胞中持续作用时，也能增加肿瘤形成的风险性。Oct3/4可诱导细胞向类胚胎干细胞变化而远离肿瘤细胞，且其强制表达可维持胚胎干细胞的形态。

常规方法诱导诱导多能干细胞使其重新编程成为类似胚胎干细胞功能的细胞，是需要综合多种病毒传导因子共同参与的，而Okita等发现每一个诱导多能干细胞克隆包含3-6个反转录病毒集合，且每一个克隆都有超过20个反转录病毒结合位点，每一个位点都有可能增加癌变的风险。近些年来不少科学家运用降低外源基因随机整合的实验方法提高安全性，例如2014年有实验组应用成熟双链RNA(miRNAs)将小鼠和人类细胞重编程为诱导多能干细胞。中国吴森教授将Oct4、Sox2、Klf4、c-Myc、Nanog、in28、Nr5a2、microRNA302/367和正负筛选标记基因构建到一个非整合型质粒上，当获取诱导多能干细胞后，通过筛选获得无非整合型质粒的细胞，从而确保无外源基因插入。2

本词条内容贡献者为:

江松敏 - 副教授 - 复旦大学