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Nature:十年间,诱导性多能干细胞如何改变世界?

2016/06/22 来源:生物探索
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导读
2006年,日本京都大学山中伸弥团队成功利用病毒载体将24个基因转入成年老鼠的皮肤细胞中,使其重编程并获得一簇类似于胚胎干细胞(ESCs)的新型细胞,由此打开了诱导性多能干细胞的研究大门。十年间,诱导性多能干细胞以不同的应用方式改变着生命医学。


2006年,诱导性多能干细胞(induced pluripotent stem cells,iPSCs)首次登上历史舞台。这一有着类似于胚胎干细胞(ESCs)功能的特殊细胞为再生医学带来了新视角和福音。科学家对其最初的设想是重编程成体细胞,并诱导其分化成干细胞、神经元或者其他任何细胞,最终用于疾病的治疗、组织的修复。这种个性化的医疗能够降低免疫排斥的风险,同时还绕开了使用胚胎干细胞引发的伦理道德问题。

现在,距离“初见”已经过去十年,对其应用重点发生了很大的转变。十年间,仅仅只有一位患者接受了基于iPS细胞治疗的临床试验,因为iPS细胞治疗疾病仍然存在很多障碍和未知。

但是,诱导性多能干细胞正以其他方式改变着生命医学:作为一种重要工具构建疾病模型,为科学家研究疾病致病机理、药物筛选提供便利;随着基因编辑技术的更新,细胞重编程的方法也在改变iPS细胞已然发展成实验室的“主力军”,为生命研究、疾病治疗提供者莫大的支持和支撑。

当然,干细胞领域仍然面临着很多挑战,这种挑战不仅仅是技术,还包括制度监管。越来越多的应用意味着统一管理的重要性和紧迫性。

2006年至2015年,有且仅有一例iPS细胞治疗临床试验

了解iPS细胞的人都应该知道山中伸弥(Shinya Yamanaka)。2006年,正是他带领团队成功利用病毒载体将24个基因转入成年老鼠的皮肤细胞中,使其重编程并获得一簇类似于胚胎干细胞(ESCs)的新型细胞,由此打开了诱导性多能干细胞的研究大门。

为了避免人为引发的错误,山中伸弥要求博士后高桥和利(Kazutoshi Takahashi)再三重复试验。欣慰的是,每一次结果都一样。随后两个月,高桥和利通过反复筛选将24个转录因子缩减至4个(Oct3/4、 Sox2、 Klf4和c-Myc)。6月,当山中伸弥在国家干细胞研究年会上首次公布这一成果时,在场的科学家们都为之震惊。一开始,他将这一细胞称为“ES-like cells”,之后被证实命名为诱导性多能干细胞(induced pluripotent stem cells,iPSCs)。8月,山中伸弥将其成果发表于《Cell》期刊。

2007年,包括山中伸弥在内的三个研究团队再次重复该试验并改进了重编程方法。同时,山中伸弥和 威斯康星大学麦迪逊分校James Thomson合作,成功将人类成体细胞诱导成多能性干细胞,并因此入选Science年度十大科学突破。截止2009年,围绕诱导性多能干细胞的学术文章多达300篇。

许多科学家们都致力于弄清楚哪些成熟细胞能够实现重编程,iPS细胞能够分化成哪些细胞。同时,不少研究团队试图进一步提高重编程效率,包括去除c-Myc(该基因含有诱导细胞癌变的风险),以及引入其他转录因子。这无疑加大了针对多能性干细胞治疗的安全问题。

诱导性多能干细胞与胚胎干细胞的类似程度有多少?已有研究证实,诱导性多功能干细胞依然保留着原成熟细胞的表观遗传学记忆。但是,专家认为这种差异不会影响细胞治疗的效果。

2013年,日本发育生物学(CDB)RIKEN中心的眼科医生Masayo Takahashi团队成功将两名年龄相关性黄斑变性患者的皮肤细胞重编成iPS细胞,并应用该多能干细胞生成视网膜色素上皮(RPE)细胞,用于疾病治疗。

2014年,他们完成首例临床试验,将RPE层植入70岁高龄女性患者右眼中。Takahashi 表示,这一治疗终止了患者的黄斑变性,使其重获光明。

但是,就在实验室准备开展第二例临床试验时,山中伸弥团队在患者iPS以及RPE细胞中发现了两个小的基因突变。虽然没有证据表明这两处突变会引发肿瘤,但是为了安全,山中伸弥和Takahashi中止了该临床试验。

同样,其他很多对该领域感兴趣的研究人员都相继终止了相关研究。加州大学干细胞生物学家Paul Knoepfler表示,全世界都在关注iPS细胞的最新进展。但是,它面临的困难对于生命医学来说并不是那么不寻常。通常,一项技术应用于临床需要20年时间,所以iPS细胞正在遵循着大致相同的轨迹。

美国Astellas再生医学研究所首席科学家Robert Lanza表示,目前他们已经布局了几条基于iPS细胞治疗的研究方向,包括黄斑变性和青光眼。但是,他们得首先筛选出在数量和纯度上都满足需求的细胞。诱导性多能干细胞是最复杂的治疗方案,所以需要谨慎再谨慎。


诱导性多能干细胞临床应用面临的挑战

许多科学家们都致力于弄清楚哪些成熟细胞能够实现重编程,iPS细胞能够分化成哪些细胞。同时,不少研究团队试图进一步提高重编程效率,包括去除c-Myc(该基因含有诱导细胞癌变的风险),以及引入其他转录因子。这无疑加大了针对多能性干细胞治疗的安全问题。

诱导性多能干细胞与胚胎干细胞的类似程度有多少?已有研究证实,诱导性多功能干细胞依然保留着原成熟细胞的表观遗传学记忆。但是,专家认为这种差异不会影响细胞治疗的效果。

此外,IPS细胞治疗疾病的应用需要符合哪些条件,一直没有统一的规定。斯柯里普斯研究院的干细胞生物学家 Jeanne Loring 表示:“最大的挑战是让每个人都遵循统一的质量监管。我们现在已经掌握了技术,问题的关键在于如何正确使用。” Loring希望,未来两年内iPS细胞能够被用于治疗帕金森。但是这并不容易,因为从患者提取治疗所需的细胞需要经过一系列复杂的检测和验证,以确保能够通过FDA的批准。

山中伸弥预计,未来细胞治疗使用的iPS细胞多来源于细胞库,而不是从患者自身上获取。Takahashi计划,比较两种来源的iPS细胞,以验证在免疫反应中是否存在差异。她计划向日本政府申请尽快的恢复“黄斑变性临床试验”。但是时间未定。

诱导性多能干细胞在其他领域的应用:构建疾病模型、筛选药物

相比于5年前,获得诱导性多能干细胞的方法已经被改造得更加精致、简易。但是大多数重编程效率都较低:只有一小部分细胞最终实现了重编程。而且,iPS细胞之间也存在差异。这无疑加大了建立生物学实验的困难。

洛克菲勒大学神经学家Marc Tessier-Lavigne团队一直致力于早发性老年痴呆症和额颞叶痴呆症的研究。他们发现,比较来源于患者和健康捐赠者的iPS细胞本身就没有意义,因为两种细胞在遗传背景或者基因表达上本身就存在差异。所以他们开始关注基因编辑。随着CRISPR/Cas9的兴起,研究人员开始利用该技术将疾病相关突变基因编辑进入iPS细胞,再与正常iPS细胞比较。

4月, Tessier-Lavigne实验室的Dominik Paquet和Dylan Kwart开发出一套利用CRISPR技术对iPS细胞基因组进行定点单基因突变的体系,借此他们可以精准的研究与阿尔兹海默症相关的突变。

iPS细胞模拟人类早期发育已经被用于另一个领域:确定Zika病毒是否与胎儿小头畸形有关。约翰•霍普金斯大学神经学家Guo-li Ming通过iPS细胞构建了大脑“类器官”。当Zika病毒感染这些类器官模型,他们发现,相比于新生成的神经元,病原体会优先感染神经干细胞,使其死亡,减少大脑皮层的神经元体积,最终导致畸形。

也有研究团队利用iPS细胞构建类器官,例如肠道、肝脏。借助iPS细胞挖掘疾病致病机理的研究仍然在增加。此外,IPS细胞还被广泛应用于药物筛选中,它们为药物筛选、测试提供模型。

山中伸弥表示,未来最大的挑战不是科学。研究人员需要从政府、制药行业得到推进细胞治疗、药物研发、疾病模型等应用更大的支持。包括iPS细胞在内的任何新发现或者新技术都不具备魔力,它们距离真正造福人类需要等待很长的时间。

备注:文章参考自Nature网站,原文链接“How iPS cells changed the world”。

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