Nature：十年間，誘導性多能幹細胞如何改變世界？

2006年，誘導性多能幹細胞（induced pluripotent stem cells，iPSCs）首次登上歷史舞台。這一有著類似於胚胎幹細胞（ESCs）功能的特殊細胞為再生醫學帶來了新視角和福音。科學家對其最初的設想是重編程成體細胞，並誘導其分化成幹細胞、神經元或者其他任何細胞，最終用於疾病的治療、組織的修復。這種個性化的醫療能夠降低免疫排斥的風險，同時還繞開了使用胚胎幹細胞引發的倫理道德問題。

現在，距離「初見」已經過去十年，對其應用重點發生了很大的轉變。十年間，僅僅只有一位患者接受了基於iPS細胞治療的臨床試驗，因為iPS細胞治療疾病仍然存在很多障礙和未知。

但是，誘導性多能幹細胞正以其他方式改變著生命醫學：作為一種重要工具構建疾病模型，為科學家研究疾病致病機理、藥物篩選提供便利；隨著基因編輯技術的更新，細胞重編程的方法也在改變iPS細胞已然發展成實驗室的「主力軍」，為生命研究、疾病治療提供者莫大的支持和支撐。

當然，幹細胞領域仍然面臨著很多挑戰，這種挑戰不僅僅是技術，還包括制度監管。越來越多的應用意味著統一管理的重要性和緊迫性。

2006年至2015年，有且僅有一例iPS細胞治療臨床試驗

了解iPS細胞的人都應該知道山中伸彌（Shinya Yamanaka）。2006年，正是他帶領團隊成功利用病毒載體將24個基因轉入成年老鼠的皮膚細胞中，使其重編程並獲得一簇類似於胚胎幹細胞（ESCs）的新型細胞，由此打開了誘導性多能幹細胞的研究大門。

為了避免人為引發的錯誤，山中伸彌要求博士後高橋和利（Kazutoshi Takahashi）再三重複試驗。欣慰的是，每一次結果都一樣。隨後兩個月，高橋和利通過反覆篩選將24個轉錄因子縮減至4個（Oct3/4、 Sox2、 Klf4和c-Myc）。6月，當山中伸彌在國家幹細胞研究年會上首次公布這一成果時，在場的科學家們都為之震驚。一開始，他將這一細胞稱為「ES-like cells」，之後被證實命名為誘導性多能幹細胞（induced pluripotent stem cells，iPSCs）。8月，山中伸彌將其成果發表於《Cell》期刊。

2007年，包括山中伸彌在內的三個研究團隊再次重複該試驗並改進了重編程方法。同時，山中伸彌和 威斯康星大學麥迪遜分校James Thomson合作，成功將人類成體細胞誘導成多能性幹細胞，並因此入選Science年度十大科學突破。截止2009年，圍繞誘導性多能幹細胞的學術文章多達300篇。

許多科學家們都致力於弄清楚哪些成熟細胞能夠實現重編程，iPS細胞能夠分化成哪些細胞。同時，不少研究團隊試圖進一步提高重編程效率，包括去除c-Myc（該基因含有誘導細胞癌變的風險），以及引入其他轉錄因子。這無疑加大了針對多能性幹細胞治療的安全問題。

誘導性多能幹細胞與胚胎幹細胞的類似程度有多少？已有研究證實，誘導性多功能幹細胞依然保留著原成熟細胞的表觀遺傳學記憶。但是，專家認為這種差異不會影響細胞治療的效果。

2013年，日本發育生物學（CDB）RIKEN中心的眼科醫生Masayo Takahashi團隊成功將兩名年齡相關性黃斑變性患者的皮膚細胞重編成iPS細胞，並應用該多能幹細胞生成視網膜色素上皮（RPE）細胞，用於疾病治療。

2014年，他們完成首例臨床試驗，將RPE層植入70歲高齡女性患者右眼中。Takahashi 表示，這一治療終止了患者的黃斑變性，使其重獲光明。

但是，就在實驗室準備開展第二例臨床試驗時，山中伸彌團隊在患者iPS以及RPE細胞中發現了兩個小的基因突變。雖然沒有證據表明這兩處突變會引發腫瘤，但是為了安全，山中伸彌和Takahashi中止了該臨床試驗。

同樣，其他很多對該領域感興趣的研究人員都相繼終止了相關研究。加州大學幹細胞生物學家Paul Knoepfler表示，全世界都在關注iPS細胞的最新進展。但是，它面臨的困難對於生命醫學來說並不是那麼不尋常。通常，一項技術應用於臨床需要20年時間，所以iPS細胞正在遵循著大致相同的軌跡。

美國Astellas再生醫學研究所首席科學家Robert Lanza表示，目前他們已經布局了幾條基於iPS細胞治療的研究方向，包括黃斑變性和青光眼。但是，他們得首先篩選出在數量和純度上都滿足需求的細胞。誘導性多能幹細胞是最複雜的治療方案，所以需要謹慎再謹慎。

誘導性多能幹細胞臨床應用面臨的挑戰

此外，IPS細胞治療疾病的應用需要符合哪些條件，一直沒有統一的規定。斯柯里普斯研究院的幹細胞生物學家 Jeanne Loring 表示：「最大的挑戰是讓每個人都遵循統一的質量監管。我們現在已經掌握了技術，問題的關鍵在於如何正確使用。」 Loring希望，未來兩年內iPS細胞能夠被用於治療帕金森。但是這並不容易，因為從患者提取治療所需的細胞需要經過一系列複雜的檢測和驗證，以確保能夠通過FDA的批准。

山中伸彌預計，未來細胞治療使用的iPS細胞多來源於細胞庫，而不是從患者自身上獲取。Takahashi計劃，比較兩種來源的iPS細胞，以驗證在免疫反應中是否存在差異。她計劃向日本政府申請儘快的恢復「黃斑變性臨床試驗」。但是時間未定。

誘導性多能幹細胞在其他領域的應用：構建疾病模型、篩選藥物

相比於5年前，獲得誘導性多能幹細胞的方法已經被改造得更加精緻、簡易。但是大多數重編程效率都較低：只有一小部分細胞最終實現了重編程。而且，iPS細胞之間也存在差異。這無疑加大了建立生物學實驗的困難。

洛克菲勒大學神經學家Marc Tessier-Lavigne團隊一直致力於早發性老年痴呆症和額顳葉痴呆症的研究。他們發現，比較來源於患者和健康捐贈者的iPS細胞本身就沒有意義，因為兩種細胞在遺傳背景或者基因表達上本身就存在差異。所以他們開始關注基因編輯。隨著CRISPR/Cas9的興起，研究人員開始利用該技術將疾病相關突變基因編輯進入iPS細胞，再與正常iPS細胞比較。

4月， Tessier-Lavigne實驗室的Dominik Paquet和Dylan Kwart開發出一套利用CRISPR技術對iPS細胞基因組進行定點單基因突變的體系，藉此他們可以精準的研究與阿爾茲海默症相關的突變。

iPS細胞模擬人類早期發育已經被用於另一個領域：確定Zika病毒是否與胎兒小頭畸形有關。約翰?霍普金斯大學神經學家Guo-li Ming通過iPS細胞構建了大腦「類器官」。當Zika病毒感染這些類器官模型，他們發現，相比於新生成的神經元，病原體會優先感染神經幹細胞，使其死亡，減少大腦皮層的神經元體積，最終導致畸形。

也有研究團隊利用iPS細胞構建類器官，例如腸道、肝臟。藉助iPS細胞挖掘疾病致病機理的研究仍然在增加。此外，IPS細胞還被廣泛應用於藥物篩選中，它們為藥物篩選、測試提供模型。

山中伸彌表示，未來最大的挑戰不是科學。研究人員需要從政府、製藥行業得到推進細胞治療、藥物研發、疾病模型等應用更大的支持。包括iPS細胞在內的任何新發現或者新技術都不具備魔力，它們距離真正造福人類需要等待很長的時間。

請您繼續閱讀更多來自 生物探索 的精彩文章:

※Nature子刊：捐贈者年齡影響誘導多能幹細胞中的突變風險
※Science：一個microRNA分子就能改變胚胎幹細胞命運
※Eur Heart J：年輕的心臟幹細胞或能「幹掉」衰老
※Nature Medicine：從幹細胞出發，深入了解癌症
※Nature子刊：脂肪細胞咋知道自己「變胖」了？
※Nature：構建出英國最大的人誘導性多能幹細胞庫，揭示出常見基因變異
※Nature揭秘：幹細胞竟然是「癌症與細菌」之間的橋樑？
※Sci Immunol：當肝臟免疫細胞「變壞」時……
※Nature子刊：誘導性多能幹細胞「攜帶」捐贈者的年齡信息
※Nature：肝臟的多功能，離不開細胞的精密分工
※Nature揭秘：糖尿病為何「那麼壞」，是「免疫細胞」在作祟！
※Nature：里程碑！首次利用人多能性幹細胞製造造血幹細胞
※elife：一類神奇的細胞—它能塑造或改變你的習慣！
※Nature Methods：這個蛋白，能可視化活細胞發育周期的「盲區」
※Nat.Biotechnol：科學家用多能幹細胞首次製造出心臟起搏細胞
※Nature Medicine：或可利用癌細胞遺傳缺陷，以毒攻毒！
※Nat Commun：科學家成功讓皮膚細胞變血液！還有更神奇的呢
※Nat. Methods：更精細！多維度！單細胞RNA測序又往前一步
※Nature：一些人胚胎幹細胞系發生癌症相關突變