基本介紹
- 中文名：誘導多能幹細胞
- 時間：2006年
- 國家：日本
- 發表於：《細胞》雜誌
- 同義詞：誘導性多能幹細胞
歷史,發展,技術突破,iPS技術,獲批人體實驗,安全性問題,
歷史
誘導多能幹細胞最早是2006年由日本的兩位科學家Kazutoshi Takahashi和Shinya Yamanaka報導，文章發表於。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銜的Thompson實驗室和山中伸彌實驗室幾乎同時報導，利用誘導多能幹細胞技術同樣可以誘導人皮膚纖維母細胞成為幾乎與胚胎幹細胞完全一樣的多能幹細胞。
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多能幹細胞（iPS）進行治療的第一人。
誘導多能幹細胞（induced pluripotent stem cells, iPS cells）最初是日本科學家山中伸彌（Shinya Yamanaka）於2006年利用病毒載體將四個轉錄因子（Oct4, Sox2, Klf4 和c-Myc）的組合轉入分化的體細胞中，使其重編程而得到的類似胚胎幹細胞和胚胎APSC多能細胞的一種細胞類型。
發展
上述觀點一經報導立即引起全球學者的普遍關注，時至今日關於IPS的研究在廣度上業已涉及多個物種，在深度上對導入外源基因的方法、誘導的原理上亦多有報導。
這個技術打破了人們對幹細胞能分化為體細胞這一過程不可逆的偏見，而為將來我們獲取幹細胞新增了一個途徑。
2017年7月，中國安徽省首批高品質科研級人類誘導多功能幹細胞iPSC在合肥發布。
技術突破
iPS技術
iPS技術是幹細胞研究領域的一項重大突破，它迴避了歷來已久的倫理爭議，解決了幹細胞移植醫學上的免疫排斥問題，使幹細胞向臨床套用又邁進了一大步。隨著iPS技術的不斷發展以及技術水平的不斷更新，它在生命科學基礎研究和醫學領域的優勢已日趨明顯。
美國哈佛大學研究人員採取添加特殊化合物的方法，將體細胞製造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，而在製造人類IPS時也可採取同樣方法，以提高效率。該成果被業界稱為IPS研究中的一大進步。
IPS是由一些多能遺傳基因導入皮膚等細胞中製造而成。在製造過程中，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合成的物質和酶在內的化合物，以研究其各自的製造效率。研究結果顯示，沒有添加化合物時，遺傳基因的導入效率為0.01%~0.05%，而加入了一種叫“巴爾普羅酸”的蛋白質合成阻礙劑之後，導入效率竟升至9.6%~14%。
如果從這4種遺傳基因中排除導致細胞癌化的遺傳基因，只使用3種基因，過去的導入效率只有0.001%甚至更低，而加入“巴爾普羅酸”之後，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。今後，研究人員將就添加化合物是否會使遺傳基因產生變異展開研究，以在提高製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）與英國發育生物學家約翰·格登（John Gurdon）因在細胞核重新編程研究領域的傑出貢獻而獲得諾貝爾生理學或醫學獎。
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）發育生物學中心的眼科專家高橋雅代培育而成，將用於治療與年齡相關的視網膜退化疾病。罹患這一疾病的病患，多餘的血管會在眼內形成，讓視網膜色素上皮細胞變得不穩定，導致感光器不斷減少，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，並將其轉化為iPS細胞，接著，誘導iPS細胞變成視網膜色素上皮細胞，最後將其培育成能被植入受損視網膜內的纖薄層。與胚胎幹細胞不同，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製。iPS細胞能變成身體內的任何細胞，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首次證明iPS細胞在臨床方面的價值。
高橋雅代團隊已經在猴子身上證明，iPS細胞能由受體自身的細胞生成，且不會誘發免疫反應；儘管如此，還是存在隱憂，那就是，iPS細胞可能會導致腫瘤出現，不過，高橋雅代團隊發現，在老鼠和猴子身上不太可能出現腫瘤。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細胞的遺傳穩定性進行了測試，結果表明一切正常。
安全性問題
受體細胞及飼養層細胞對誘導多能幹細胞全能性和分化後細胞功能的影響
誘導多能幹細胞技術主要是從人體的遺傳學方面進行模擬，故難以對以環境因素刺激作為主導作用的疾病進行構建理想的體外細胞模型並進行細胞治療。誘導多能幹細胞移植到體內後的再分化機制不明確，有報導誘導多能幹細胞自體移植具有免疫原性，目前利用誘導多能幹細胞技術可在體外將細胞誘導分化為所需的靶細胞，但將分化後的細胞移植入體內後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多能幹細胞胞定向分化機制。此外，目前無具體的檢測系統來評價移植後功能細胞的效率及安全性。
最初誘導多能幹細胞體外培養所用的飼養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、傳播動物病毒及感染蛋白質，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誘導去分化後，使用無血清完全培養基，避免了以上種種安全隱患，不僅可用於誘導多能幹細胞的誘導和維持，也可支持誘導多能幹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。
細胞基因結構變異
雖然誘導多能幹細胞技術增加了幹細胞的來源，但也增加了細胞變異的風險，從而影響誘導多能幹細胞的安全性。現今對誘導多能幹細胞技術機制的研究逐漸從轉錄因子相關的轉錄組水平、蛋白質組水平轉移到表觀遺傳學方面，經典方法誘導誘導多能幹細胞產生的變異主要源自於染色體異常、基因拷貝數變異、點突變等幾個方面。有研究表明，胚胎乾細 胞特 異性 染色 質重 構複合體BAF中的 Brg1 和BAF155，能夠協同Oct4、Sox2、Klf4三個因子對成纖維細胞重編程，這些染色質重構不但有利於Oct4對其下游基因的調控，另一方面也增強了了Oct4蛋白結合Sall4、Tcf3和Dppa4基因啟動子區的能力。在誘導過程中也會出現一些變異，有些體細胞會在誘導過程中受損，誘導本身也會導致拷貝變異增加，同樣培養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多能幹細胞遺傳穩定性的檢測結果也不相同，現代分子遺傳學分析技術比傳統細胞遺傳學分析技術發現了更多誘導多能幹細胞的遺傳異常。
誘導因子的致瘤性與最佳化
誘導產生誘導多能幹細胞因子的潛在致癌性，在一定程度上增加了人們對誘導多能幹細胞技術臨床套用安全性的顧慮，但也激發了科研人員對誘導因子的深入研究。有報導稱，超過40%在基因突變水平表現變異的基因和腫瘤有關。研究發現，誘導多能幹細胞技術中用到的6個誘導因子(Oct3/4、Sox2、c-Myc、Klf4、Lin28、Nanog)，除Lin28還未發現與腫瘤發生有關外，其餘5個都是癌基因，其過表達常與腫瘤有關。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化。Nakagawa等對Oct4、Sox2和Klf4的組合研究發現，缺少c-Myc會導致ips細胞誘導障礙，它的致瘤性能抑制重編程，也會增加誘導多能幹細胞傳代期間的細胞轉換頻率，當Myc轉基因在誘導多能幹細胞中持續作用時，也能增加腫瘤形成的風險性。Oct3/4可誘導細胞向類胚胎幹細胞變化而遠離腫瘤細胞，且其強制表達可維持胚胎幹細胞的形態。
常規方法誘導誘導多能幹細胞使其重新編程成為類似胚胎幹細胞功能的細胞，是需要綜合多種病毒傳導因子共同參與的，而Okita等發現每一個誘導多能幹細胞克隆包含3-6個反轉錄病毒集合，且每一個克隆都有超過20個反轉錄病毒結合位點，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年有實驗組套用成熟雙鏈RNA(miRNAs)將小鼠和人類細胞重編程為誘導多能幹細胞。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建到一個非整合型質粒上，當獲取誘導多能幹細胞後，通過篩選獲得無非整合型質粒的細胞，從而確保無外源基因插入。
