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诱导性多能干细胞

Wikipedia · 2026-06-19 维基百科 👁 1 阅读

诱导性多能干细胞（），又稱人工誘導多能幹細胞，常簡稱爲iPS細胞（），是一種由哺乳動物成體細胞經轉入轉錄因子等手段脫分化形成的多能幹細胞，最早由日本學者山中伸彌的研究團隊於2006年發現。山中伸彌團隊在發表iPS誘導技術時使用之實驗材料爲小鼠細胞。2007年，研究人員又證明iPS誘導技術可以應用於人體細胞。最初由山中伸彌團隊發現的誘導方法是通過慢病毒載體將Oct4、Sox2、c-Myc、Klf4四種轉錄因子基因轉入成體細胞將其轉化爲類似於胚胎幹細胞的多能幹細胞。其後，研究人員又先後發現了更優化的誘導方法，如使用質粒載體轉染、腺病毒感染、脂質體導入等非基因組整合的方法進行誘導、通過細胞融合誘導、轉入miRNA（微干擾RNA）進行誘導等。

iPS細胞與胚胎幹細胞擁有相似的再生能力，理論上可以分化爲成體的所有器官、組織。而相比胚胎幹細胞，iPS細胞面臨的倫理道德爭議較小，且應用該技術可以產生基因型與移植受體完全相同的幹細胞，規避了排異反應的風險，因而iPS細胞在一定程度上衝擊了胚胎幹細胞在再生醫學中的地位，被認爲在再生醫學及組織工程方面擁有較爲廣闊的應用前景，有望爲治癒糖尿病、關節炎等疾病提供新的思路。同時，iPS細胞在新藥開發、疾病模型構建領域也有望得到應用。但iPS誘導技術同樣面臨着誘導效率低、用於治療可能存在長期風險等挑戰。

iPS技術的發明人山中伸彌於2012年與核移植及克隆技術研究的先驅者約翰·格登爵士一同獲諾貝爾生理醫學獎。

製備方法
、Sox2、c-Myc、Klf4*基因的四種慢病毒載體感染小鼠胚胎成纖維細胞（MEF），再將感染後的細胞置於含有飼養層細胞（一般是經射線或絲裂黴素處理的滅活小鼠胚胎成纖維細胞）的胚胎幹細胞培養基中。經過數日後，本已終末分化的小鼠胚胎成纖維細胞會脫分化，進入類似於胚胎幹細胞的幹細胞狀態。。

後續實驗用到的小鼠胚胎成纖維細胞（MEF）或尾尖成纖維細胞（TTF）均來自上述的轉基因小鼠品系。在得到該品系小鼠的成纖維細胞後，需要製備分別含有Oct4、Sox2、c-Myc、Klf4基因的四種慢病毒載體。之後，再用這四種慢病毒載體感染成纖維細胞。用於實驗的成纖維細胞已與有G-418抗性的胚胎幹細胞飼養層細胞混合，以維持可能會在後續實驗中產生的iPS細胞的幹性。如果感染成功，這四種基因就會在成體細胞中表達。感染後，需要將細胞培養基更換爲含有G-418的胚胎幹細胞培養基。細胞如果回到類似胚胎幹細胞的狀態，會因NeoR基因的表達於含G-418的培養基中存活，而未回到類似胚胎幹細胞狀態的成纖維細胞會死亡。飼養層細胞因帶有G-418抗性，也會在這個過程中存活。經過7天左右，可以觀察到有細胞形成類似胚胎幹細胞的細胞集落，這些細胞就是誘導產生的iPS細胞。再經過一段時間的生長，待細胞集落足夠大時，即可挑選合適的集落進行轉移，經過多代培養後形成穩定的iPS細胞系。

在山中伸彌於2006年發表關於iPS誘導技術的文章後，2007年，研究人員成功將iPS技術應用於人成體細胞，製得人源性的iPS細胞，方法與山中伸彌團隊的製備方法有少許不同。其後，研究人員又先後成功製備了山羊、綿羊、大鼠、豬、貓、兔、狗、狼等哺乳動物的iPS細胞。同時，亦發現除成纖維細胞外，其他類型的成體細胞以及成體幹細胞均可以重編程爲iPS細胞。不過，不同細胞重編程到iPS細胞的效率存在差異。一般來說，分化程度越低的細胞越容易被重編程爲iPS細胞。同時，研究人員也對重編程的方法進行了一定改良。比如，已有使用腺相關病毒載體感染、質粒載體轉染、脂質體轉入等非基因組整合技術爲核心的重編程方法。培養iPS細胞的環境與胚胎幹細胞相似。傳統的培養方法是將iPS細胞培養在經絲裂黴素或射線滅活的小鼠胚層成纖維細胞（MEF）組成的飼養層（feeder）上，並使用含有血清及白血病抑制因子（LIF）的培養基中。

iPS細胞在體外具有無限增殖的潛能，也能形成與胚胎幹細胞相似的緊緻、平坦的細胞集落。iPS細胞在體外培養時，形態也與胚胎幹細胞接近：細胞呈圓形，細胞核體積大、細胞質體積相對較小。同時，iPS細胞也表達一些胚胎幹細胞中的幹細胞標誌物，比如Nanog蛋白、SSEA類蛋白、TRA類蛋白，體外懸浮培養的iPS會分化形成類胚體（embryoid body，EB）。但iPS形成嵌合體（chimera）的能力較差，甚至使用iPS細胞產生嵌合體小鼠的嘗試曾一度失敗 與ESC類似，iPSCs注射到免疫缺陷小鼠體內後容易形成畸胎瘤。美國食品藥物管理局（FDA）認為畸胎瘤的形成是基於幹細胞的再生醫學的主要障礙。

  • 一項關於小鼠脊髓損傷後運動功能恢復的最新研究表明，將人類誘導多能幹細胞移植到小鼠體內後，這些細胞在脊髓中分化為三種神經譜系。這些細胞刺激了受損脊髓的再生，維持了髓鞘形成，並形成了突觸。這些正面結果在脊髓損傷後持續觀察到112天以上，且未形成腫瘤。 然而，同一研究小組的後續研究表明，不同的人誘導多能幹細胞克隆最終形成了腫瘤。
  • 由於目前只能透過基因改造才能有效率地製備iPSC，因此普遍認為iPSC的安全性低於hESC，且致瘤性更強。所有已被證實能促進iPSC形成的基因都與癌症有某種關聯。其中一些基因是已知的癌基因，包括Myc家族成員。雖然敲除Myc基因仍可形成iPSC，但其效率會降低高達100倍。
  • 利用重組蛋白的非基因方法已成功製備出誘導性多能幹細胞（iPSCs），但其效率較低。 2010年發表在《幹細胞》（Stem Cells）雜誌上的一篇論文指出，iPS細胞的致瘤性遠高於胚胎幹細胞（ESC），這進一步證實了iPS細胞的安全性是一個值得關注的問題。
  • 2011年，Zhou等人進行了一項涉及畸胎瘤形成實驗的研究，結果顯示iPS細胞產生的免疫反應足以導致細胞排斥，這引發了人們對iPS細胞免疫原性的擔憂。然而，當Zhou等人對基因相同的ES細胞進行類似實驗時，卻發現了畸胎瘤，顯示這些細胞能夠被免疫系統耐受。 2013年，Araki等人嘗試用不同的方法重複Zhou等人的結論。他們從iPSC克隆和鼠胚胎培養而成的嵌合體中提取細胞，然後將該組織移植到同基因小鼠體內。他們用ES細胞取代iPSC克隆進行了類似的實驗，並比較了結果。結果表明，iPS細胞和ES細胞產生的免疫原性反應沒有顯著差異。此外，Araki等人報告稱，兩種細胞系的免疫原性反應都很弱或沒有免疫原性反應。 因此，Araki等人認為，iPS細胞的免疫原性可能與小鼠胚胎的免疫原性無關。未能得出與周等人相同的結論。

歷史
與約翰·格登爵士一同獲得了當年的諾貝爾生理醫學獎。此照片爲山中伸彌2010年赴美國國立衛生研究院（NIH）時所攝]]

1950年代，英國發育生物學家約翰·格登的一系列實驗表明，將蟾蜍成體細胞的細胞核移入去除細胞核的卵細胞後，這個重組的細胞可以發育爲一個完整的蟾蜍個體。這一發現否定了此前一度流行的一個學說：細胞在分化的過程中會不斷丟棄不需要的遺傳物質。約翰·格登的實驗證明動物成體細胞仍然擁有全套基因組，有發育成完整個體的潛力。

iPS細胞誘導技術的發現者山中伸彌於1999年入職日本奈良先端科學技術大學院大學（NAIST）擔任副教授。在1999年至2003年間，他提出了通過轉入外源性因子使體細胞重編程爲幹細胞的猜想，並與博士後高橋和利開始了相關的研究。2003年，山中伸彌得到了大阪大學教授岸本忠三的支持，獲得科学技術振興機構5年3億日圓的經費支持。同年，山中伸彌升爲正教授。

山中伸彌團隊最初選擇了24個候選基因，並製備了分別含有這24個候選基因的慢病毒載體。最初，山中伸彌的團隊同時將這24種慢病毒載體轉入小鼠的成纖維細胞中，發現有部分細胞回到了與胚胎幹細胞類似的狀態，並形成了細胞集落。在經過幾次重複實驗確認結果的可靠性後，山中伸彌團隊又在這24種基因中進行了進一步篩選，最終確認了一組最佳的組合：當同時向成體細胞轉入Oct4、Sox2、c-Myc、Klf4四種轉錄因子時，就能有細胞轉化爲多能性幹細胞。2006年，山中伸彌團隊發表了他們的這一實驗結果。在山中伸彌發表這篇論文後，實驗結果的真實性曾一度遭到同行的質疑。2007年4月，美國生物學家鲁道夫·耶尼施首次表示山中伸彌的實驗是可重複的。隨後，其他課題組也先後重複出山中伸彌的實驗。2016年3月，高橋政代團隊又進行了一次移植手術，將重編程自正常人體細胞的iPS細胞重新分化爲视网膜色素上皮細胞，並將之移植入一名黃斑部退化患者的眼部。移植手術本身是成功的，但後續報導表明，患者在手術後產生了嚴重的不良反應。

挑戰與應用前景
iPS細胞性質與胚胎幹細胞相似，且相比胚胎幹細胞會面臨較少的倫理學爭議，因而iPS細胞被認爲在組織工程及再生醫學、藥物開發、疾病模型構建等領域有較廣闊的發展前景。

挑戰
iPS誘導技術處於快速發展時期，還有許多不夠成熟的地方。另一方面，iPS細胞的誘導技術還面臨誘導效率低的問題。一般認爲這是因爲體細胞重編程到多能幹細胞的過程中，會遇到一些「屏障」。比如，導入的基因難以與表達處於關閉狀態的下游的基因發生相互作用。研究人員對基於iPS細胞的細胞替代療法的設想是，使用病人的成體細胞產生與病人基因型一致的iPS細胞，再於體外誘導產生所需的器官，最後通過移植手術將產生的器官植入病人體內，使病人機體受損的功能得以恢復。因爲使用的細胞基因型與病人相同，移植手術後理論上不會產生排異反應。此外，亦可以使用iPS細胞進行疾病模型的構建。即用病人的iPS細胞構建狀態異常的成體細胞或組織。這樣的成體細胞或組織可用作相關疾病的研究模型。目前，研究人員有計劃用iPS細胞建立一個疾病模型庫。

參見
*胚胎幹細胞
*間充質幹細胞
*脱分化

参考文献
外部連結
*[http://www.cira.kyoto-u.ac.jp/ 京都大學iPS研究所]

#幹細胞 #诱导干细胞 #2006年生物學

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