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诱导性多能干细胞的研究历程

2022.9.04

  iPS细胞

  诱导性多能干细胞最初是日本科学家山中伸弥(Shinya Yamanaka)于2006年利用病毒载体将四个转录因子(Oct4, Sox2, Klf4 和c-Myc)的组合转入分化的体细胞中,使其重编程而得到的类似胚胎干细胞和胚胎APSC多能细胞的一种细胞类型。随后世界各地不同科学家陆续发现其它方法同样也可以制造这种细胞。

  2012年10月8日,John B. Gurdon 与 Shinya Yamanaka 因此获得诺贝尔生理学和医学奖。

  2016年3月10日,由日本大阪大学眼科学教授西田幸二等人组成的科研小组在世界上首次发表了成功利用人工诱导多功能干细胞(iPS细胞)一并培育出部分角膜、晶体和视网膜等眼睛主要部位细胞的研究成果。该成果被发表在本月9日的英国科学杂志《自然》电子版上。

  2006年日本京都大学山中伸弥(Shinya Yamanaka)领导的实验室在世界著名学术杂志《细胞》上率先报道了iPS的研究。

  他们把Oct3/4、Sox2、c-Myc和Klf4这四种转录因子引入小鼠胚胎或皮肤纤维母细胞,发现可诱导其发生转化,产生的iPS细胞在形态、基因和蛋白表达、表观遗传修饰状态、细胞倍增能力、类胚体和畸形瘤生成能力、分化能力等都与胚胎干细胞极为相似。

  2007年11月,由中国科学家俞君英领衔的Thompson实验室和山中伸弥实验室几乎同时报道,利用ips技术同样可以诱导人皮肤纤维母细胞成为几乎与胚胎干细胞完全一样的多能干细胞。

  所不同的是日本实验室依然采用了用逆转录病毒引入Oct3/4、Sox2、c-Myc和Klf4四种因子组合,而Thompson实验室采用了以慢病毒载体引入Oct4、Sox2加Nanog和LIN28这种因子组合。

  这些研究成果被美国《科学》杂志列为2007年十大科技突破中的第二位。

  2008年,哈佛大学George Daley实验室利用诱导细胞重新编程技术把采自10种不同遗传病患者病人的皮肤细胞转变为iPS,这些细胞将会在建产疾病模型、药物筛选等方面发挥重要作用。

  美国科学家还发现,iPS细胞可在适当诱导条件下定向分化,如变成血细胞,再用于治疗疾病。

  哈佛大学另一家实验室则发现利用病毒将三种在细胞发育过程中起重要作用的转录因子引入小鼠胰腺外分泌细胞,可以直接使其转变成与干细胞极为相似的细胞,并且可以分泌胰岛素、有效降低血糖。这表明利用诱导重新编程技术可以直接获得某一特定组织细胞,而不必先经过iPS细胞这一步。

  2009年,中国科学家于2008年11月利用iPS细胞培育出小鼠—“小小”。

  中国科学院动物研究所周琪研究员和上海交通大学医学院曾凡一研究员领导的研究组合作完成的工作表明,利用iPS细胞能够得到成活的具有繁殖能力的小鼠,从而在世界上第一次证明了iPS细胞与胚胎干细胞具有相似的多能性。科学家表示,这一研究成果表明iPS细胞或许同胚胎干细胞一样可以作为治疗各种疾病的潜在来源。

  iPS细胞建立的简单过程

  iPS细胞建立的过程主要包括:

  (1)分离和培养宿主细胞;

  (2)通过病毒介导或者其他的方式将若干多个多能性相关的基因导入宿主细胞;

  (3)将病毒感染后的细胞种植于饲养层细胞上,并于ES细胞专用培养体系中培养,同时在培养中根据需要加入相应的小分子物质以促进重编程;

  (4)出现ES样克隆后进行iPS细胞的鉴定(细胞形态、表观遗传学、体外分化潜能等方面)。[1]

  iPS细胞

  iPS细胞的出现,在干细胞研究领域、表观遗传学研究领域以及生物医学研究领域都引起了强烈的反响,这不仅是因为它在基础研究方面的重要性,更是因为它为人们带来的光明的应用前景。

  在基础研究方面,它的出现,已经让人们对多能性的调控机制有了突破性的新认识。细胞重编程是一个复杂的过程,除了受细胞内因子调控外,还受到细胞外信号通路的调控。对于Oct4、Sox2和Nanog等维持干细胞自我新能力的转录因子的研究正在逐渐地展开;利用iPS细胞作为实验模型,只操纵几个因子的表达,这更会大大加速对多能性调控机理的深入研究。

  在实际应用方面,iPS细胞的获得方法相对简单和稳定,不需要使用卵细胞或者胚胎。这在技术上和伦理上都比其他方法更有优势,iPS细胞的建立进一步拉近了干细胞和临床疾病治疗的距离,iPS细胞在细胞替代性治疗以及发病机理的研究、新药筛选方面具有巨大的潜在价值。

  此外,iPS细胞在神经系统疾病、心血管疾病等方面的作用也日益呈现,iPS细胞在体外已成功地被分化为神经元细胞、神经胶质细胞、心血管细胞和原始生殖细胞等。在临床疾病治疗中具有巨大应用价值。[2]

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