誘導(dǎo)多能干細(xì)胞到底有多能干

誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞（induced pluripotent stem cells，iPSCs），是指通過(guò)對(duì)體細(xì)胞進(jìn)行重編程，讓分化的體細(xì)胞“返老還童”，成為類似人胚胎干細(xì)胞（ESCs）的多能性干細(xì)胞。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)最早是2006年，由日本京都大學(xué)Shinya Yamanaka在Cell雜志上報(bào)道的，一經(jīng)問(wèn)世，便引起了巨大的反響。在這十多年中，iPSCs技術(shù)飛速發(fā)展，目前已經(jīng)應(yīng)用到疾病模型構(gòu)建、藥物篩選和細(xì)胞治療等多個(gè)領(lǐng)域，并且都具有廣泛的應(yīng)用前景。

iPS細(xì)胞在疾病模型中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的疾病模型不管是動(dòng)物模型、原代細(xì)胞還是細(xì)胞系都存在一定的局限性，比如動(dòng)物與人類生理上存在差異性，細(xì)胞系遺傳上的變異，使用胚胎干細(xì)胞或者原代細(xì)胞帶來(lái)的倫理問(wèn)題等等。而iPSCs完美地解決了這一系列的問(wèn)題。不僅細(xì)胞來(lái)源容易獲得，遺傳性穩(wěn)定，能大量擴(kuò)增，而且可以誘導(dǎo)分化成各種體細(xì)胞，這些特征無(wú)疑讓iPSCs在模擬人類疾病上具有不可取代的優(yōu)勢(shì)。

iPSCs疾病模型建立過(guò)程如圖1所示。首先，將患者的體細(xì)胞，比如血液的單核細(xì)胞或皮膚組織的纖維細(xì)胞，通過(guò)基因重編程的方式將體細(xì)胞轉(zhuǎn)變成為iPSCs。再將iPSCs誘導(dǎo)分化為特定的細(xì)胞類型，如神經(jīng)細(xì)胞、肝細(xì)胞、心肌細(xì)胞等，以此模型為基礎(chǔ)可以對(duì)分化后的細(xì)胞進(jìn)行特定的研究。此外，可以利用基因編輯技術(shù)（如CRISPR–Cas9）生成同基因型的對(duì)照組。此種方法產(chǎn)生的對(duì)照組細(xì)胞系除了致病基因外，擁有與患者完全一樣的遺傳背景。

圖1 人類iPSCs疾病模型構(gòu)建示意圖 (Shi et al., 2017)

iPS細(xì)胞在藥物篩選中的應(yīng)用

新藥研發(fā)過(guò)程中，在進(jìn)入臨床階段研究前，需要對(duì)候選藥物的活性、藥理和毒理作用進(jìn)行評(píng)估。但是由于傳統(tǒng)的動(dòng)物模型或細(xì)胞模型和實(shí)際人體的生理情況存在差異，永生化的細(xì)胞系或腫瘤細(xì)胞衍生的細(xì)胞系在遺傳上已經(jīng)發(fā)生改變，甚至有些無(wú)法反應(yīng)出相關(guān)疾病的分子機(jī)制，會(huì)直接導(dǎo)致新藥開(kāi)發(fā)在臨床試驗(yàn)階段的高失敗率，很大程度的限制了新藥的研發(fā)進(jìn)展。

iPSCs技術(shù)的出現(xiàn)為新藥篩選開(kāi)辟了新道路。將患者來(lái)源的iPSCs大量分化為與疾病相關(guān)的靶細(xì)胞，利用這些細(xì)胞進(jìn)行藥物小分子高通量篩選。與傳統(tǒng)動(dòng)物模型相比，iPSCs的細(xì)胞制備和培養(yǎng)周期短，且遺傳背景與人體一致等特點(diǎn)。這顯著提高了新藥研發(fā)的效率和準(zhǔn)確率，也降低了成本。目前，基于iPSCs的藥物篩選已被用于多種疾病超過(guò)1000種化合物篩選中，包括帕金森、精神分裂癥、肌萎縮性側(cè)索硬化、阿爾茨海默癥、亨廷頓舞蹈癥以及心臟病、肌肉營(yíng)養(yǎng)不良等，多種潛在的臨床候選藥物已被發(fā)現(xiàn)。

iPS細(xì)胞在再生醫(yī)療中的應(yīng)用

基于干細(xì)胞的再生醫(yī)學(xué)一直以來(lái)都備受追捧，潛力巨大，干細(xì)胞的來(lái)源也是一直在不斷的探索之中。人類胚胎干細(xì)胞（ESCs）可以分化成各種體細(xì)胞，是臨床細(xì)胞治療的潛在來(lái)源，然而，ESCs除了獲取困難之外，還面臨免疫耐受的缺乏。盡管ESCs在未分化狀態(tài)下可能具有免疫“豁免”特權(quán)，但分化后的細(xì)胞卻會(huì)觸發(fā)細(xì)胞和體液免疫反應(yīng)，存在很大的排異風(fēng)險(xiǎn)，有的甚至需要終身免疫抑制治療，不僅副作用大，而且成本也高。而從自體獲得的iPSCs就可以避免這個(gè)問(wèn)題。iPSCs與胚胎干細(xì)胞一樣擁有多種分化潛能，而且取自患者自身體細(xì)胞（如血液、皮膚等），獲取容易，分化出的細(xì)胞用于患者治療排異風(fēng)險(xiǎn)小。因此，iPSCs在再生醫(yī)療領(lǐng)域擁有巨大的潛力。

目前，iPSCs通過(guò)分化，它們可以生成血細(xì)胞、骨細(xì)胞、神經(jīng)細(xì)胞等200多種細(xì)胞。理論上，iPSCs可以分化出人體任何特定的細(xì)胞類型。在臨床應(yīng)用上，基于iPSCs的細(xì)胞治療在黃斑變性、色素性視網(wǎng)膜炎、帕金森、心臟病、糖尿病和癌癥等疾病上都取得一定的進(jìn)展。一般來(lái)說(shuō)，iPSCs治療可以分為六個(gè)步驟（圖2）。首先，從受影響的患者處收集體細(xì)胞并進(jìn)行培養(yǎng)，將這些體細(xì)胞重編程為iPSCs。然后，利用基因編輯技術(shù)或病毒轉(zhuǎn)導(dǎo)方法對(duì)患者衍生的iPSCs進(jìn)行基因修復(fù)。隨后，將修復(fù)后的iPSCs分化為所需的細(xì)胞類型，以提供基因匹配的健康供體細(xì)胞。接下來(lái)，對(duì)這些細(xì)胞進(jìn)行細(xì)胞鑒定、純度、活性和安全性的質(zhì)量控制測(cè)試。最后，將這些的健康細(xì)胞移植到患者體內(nèi)進(jìn)行細(xì)胞治療（圖 2）。

圖2 基于人類 iPSCs 的細(xì)胞療法示意圖 (Shi et al., 2017)

然而iPSCs療法的廣泛應(yīng)用還面臨諸多挑戰(zhàn)，其中最主要的顧慮之一就是腫瘤形成風(fēng)險(xiǎn)。由于多能干細(xì)胞在培養(yǎng)過(guò)程中可能出現(xiàn)核型異常、拷貝數(shù)變異以及雜合性喪失等，因此在臨床使用之前，iPSCs來(lái)源的產(chǎn)品需要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格篩查，確保其沒(méi)有潛在的遺傳改變，并且必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的純度、質(zhì)量和無(wú)菌性檢測(cè)。盡管尚無(wú)證據(jù)表明分化自iPSCs的產(chǎn)品能夠生成畸胎瘤，但為了避免這一風(fēng)險(xiǎn)，必須確保最終產(chǎn)品中不含未分化細(xì)胞。目前，研究人員也正在開(kāi)發(fā)更精細(xì)化的分化方案，來(lái)確保分化目標(biāo)的準(zhǔn)確性，比如通過(guò)流式細(xì)胞儀對(duì)分化細(xì)胞進(jìn)行分選，排除掉未分化的細(xì)胞。另外，研究者還開(kāi)發(fā)了一些能夠選擇性殺死未分化多能干細(xì)胞的小分子抑制劑等。鑒于iPSCs建立周期較長(zhǎng)，這一方法目前可能無(wú)法適用于疾病進(jìn)展迅速的患者。

iPSCs技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

據(jù)2023年弗若斯特沙利文發(fā)布的《誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPSC）產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與未來(lái)發(fā)展藍(lán)皮書(shū)》，全球已有多家公司擁有iPSCs產(chǎn)品，但多數(shù)產(chǎn)品均處于臨床前研究階段 （圖3）。其中，Cynata Therapeutics的CYP-004是全球首個(gè)進(jìn)入臨床III期的iPSCs產(chǎn)品，該公司另一項(xiàng)產(chǎn)品CYP-001也已進(jìn)入II期臨床試驗(yàn)。日本Heartseed公司的產(chǎn)品同樣進(jìn)入臨床I/II期，并于2021年被諾和諾德收購(gòu)。此外，F(xiàn)ate Therapeutics和BlueRock Therapeutics的iPSCs產(chǎn)品也處于臨床I/II期。

根據(jù)公開(kāi)數(shù)據(jù)顯示，目前全球在研iPSCs產(chǎn)品主要集中在腫瘤、帕金森病、眼科疾病、心力衰竭、Ⅰ型糖尿病、骨/關(guān)節(jié)疾病等，其中帕金森病、心力衰竭、骨/關(guān)節(jié)疾病、移植物抗宿主、血液瘤已經(jīng)進(jìn)入臨床試驗(yàn)階段。未來(lái)，隨著研究不斷深入，覆蓋的適應(yīng)癥將持續(xù)擴(kuò)大。

圖3 iPSCs技術(shù)發(fā)展歷程

總體而言，iPSCs技術(shù)在建立疾病模型、藥物篩選和臨床治療領(lǐng)域已顯示出一定的成熟度。未來(lái)，隨著iPSCs技術(shù)的不斷發(fā)展，也正逐步拓展到干細(xì)胞與組織工程、類器官培養(yǎng)、以及器官移植等創(chuàng)新領(lǐng)域，在醫(yī)療行業(yè)領(lǐng)域中展現(xiàn)更大潛力和價(jià)值。

重慶醫(yī)科大學(xué)附屬兒童醫(yī)院iPS細(xì)胞研究中心

何文婷

參考資料：

1. Shi Y, Inoue H, Wu JC, Yamanaka S. Induced pluripotent stem cell technology: a decade of progress. Nat Rev Drug Discov. 2017;16(2):115-130. doi:10.1038/nrd.2016.245

2. Nicholson MW, Ting CY, Chan DZH, et al. Utility of iPSC-Derived Cells for Disease Modeling, Drug Development, and Cell Therapy. Cells. 2022;11(11):1853. Published 2022 Jun 6.

3. Engle SJ, Blaha L, Kleiman RJ. Best Practices for Translational Disease Modeling Using Human iPSC-Derived Neurons. Neuron. 2018;100(4):783-797.

4. 若斯特沙利文，《誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPSC）產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與未來(lái)發(fā)展藍(lán)皮書(shū)》，2023.