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iPS细胞概念

iPS 是指体细胞经过导入特定的重编程因子而诱导为多能干细胞（induced pluripotent stem cells,iPS cells）。2006年，日本科学家 Yamanaka 及其研究小组首次选用逆转录病毒作为载体，向鼠成纤维细胞中导入了与多功能性有关的基因（Oct4、Sox2、c-Myc 和 Klf4），之后选择多能性标志物 Fbx15 筛选转染后的细胞，最终获得了具有与胚胎干细胞（ES）某些特性的多功能干细胞，并命名为诱导多能干细胞（iPS 细胞），此细胞在形态、基因和蛋白表达、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。次年，该研究小组又成功将人体细胞重编程为 iPS 细胞，自此，在全球范围内拉开了 iPS 细胞研究的序幕。与 ES 细胞相比，iPS 细胞的产生解决了几个重大问题。首先，伦理学专家认为干细胞的产生不应该破坏任何一个胚胎，而 iPS 细胞绕过了这个伦理学问题；其次，iPS 细胞可以由患者个体的成体细胞重编程得来，为个体化的疾病细胞模型提供了有力的基础；最后，由 iPS 细胞诱导分化而来的成体细胞，可以应用于患者疾病的临床治疗，为再生医学提供一个崭新的思路。
 

iPS细胞的诱导方法

科学家最早用逆转录病毒，将多能基因（Oct4、Sox2、c-Myc 和 Klf4 ）导入细胞获得 iPS细胞，此方法有外源基因插入的风险，后续有科学家用腺病毒，质粒转染法，合成 RNAs和蛋白质等无外源基因整合风险的方法将多能基因导入细胞获得 iPS 细胞。 iPS 重编程过程中，多能基因的选择至关重要，目前已知的候选基因有Oct4、Sox2、c-Myc、Klf4、Nanog、Lin-28等，但是在研究中有研究者发现，除了 Oct4 外其他的基因都可被其他转录因子所代替，因此这也间接证明了 Oct4 是诱导形成 iPS 细胞的必需基因。利用多能基因方法效率都极低，相对而言，最高的是有外源基因插入风险的逆转录病毒载体法。因此，科学家们不断探索更安全更高诱导效率的方法。有研究者发现，在诱导过程中加入丙戊酸 VPA，维生素 C，SV40 大T抗原，强力霉素等小分子能提高诱导效率。目前在实验室应用最多的是质粒和仙台病毒，在再生医学方面应用最多的是附加型质粒，在体外研究应用最多的是逆转录病毒和质粒。

iPS细胞应用前景

iPS 细胞具有多向分化，无限增殖的潜能，理论上 iPS 能分化成各种需要的功能细胞类型，且自身来源的 iPS 可以最大限度的避免免疫排斥。目前已被报导的有 iPS 分化成神经细胞，心肌细胞，视网膜色素上皮细胞，胰腺细胞，肝细胞等多种成体细胞。
 

iPS细胞在神经疾病中的应用

2010年，学者利用帕金森病患者的iPS细胞，成功诱导出多巴胺神经元，将诱导成功的多巴胺神经元移植入大鼠模型后，能够改变大鼠的运动功能，此后，研究者利用帕金森病患者的 iPS 细胞对多巴胺神经元的死亡机制进行研究，结果发现线粒体功能受损是神经元死亡的关键环节；有学者利用 Huntington 病患者的 iPS 细胞对三核苷酸重复序列（CAG，该序列重复扩增可产生具有细胞毒性的 Huntington 蛋白）所重复扩增的长度进行研究，结果发现与正常人体 iPS 细胞相比，Huntington 病患者的 iPS 细胞在神经发育、RNA 代谢和蛋白稳态等方面均存在差异，由此提示 Huntington 病与重复扩增长度有关；对于阿兹海默症，利用患者的 iPS 分化成神经元细胞后，发现存在β 淀粉样肽的大量聚集，由此提示β 淀粉样肽可导致阿尔茨海默病的发生。利用 iPS 细胞成功诱导出神经胶质细胞和神经元，这为神经退行性病变的治疗带来了希望；同时，该方法也将取代以往神经系统疾病发病机制研究常用的动物转基因或基因敲除模型，利用人体 iPS 细胞模型来研究神经系统疾病，如此可以动态地全面观察疾病过程中分子和细胞水平的变化，避免以往动物模型研究存在的鼠类及其他啮齿类动物与人类种属之间存在差异的局限。

 

 
 

iPS细胞在心脏疾病中的应用

iPS 细胞诱导成的心脏实质细胞具有正常心肌细胞的恢复性收缩和电位稳定等特性，具有心肌特异性的基因表达模式和正常的心肌结构和功能。研究小组将人 iPS 细胞分化为向房室结、心房和心室肌细胞，并且对人 iPS 细胞和人 ES 细胞向心肌细胞的分化进行了比较，证明其分化获得心肌细胞无明显差异，而且人 iPS 来源的心肌细胞能够对β肾上腺素刺激有正常的反应；同时，iPS 细胞作为自体细胞，可以更好地修补心脏细胞。心脏的发生需要不同种类的细胞，包括内皮细胞，心肌细胞和平滑肌细胞，这些细胞分别产生于不同的祖细胞。近年来的研究证实，在 iPS 细胞的诱导分化过程中，可以顺利转化出可扩展的心脏祖细胞，在骨形态生成蛋白 4（BMP4）的作用下，该细胞能够不断扩增，并且分化成心肌细胞、平滑肌细胞和内皮细胞。iPS 细胞来源的心肌细胞在心脏系统疾病的发病机制研究、替代治疗和药物开发中影响深远。
 

iPS细胞在肝脏疾病中的应用

急性肝衰竭，肝硬化，药物性肝损伤等肝脏疾病逐年增加，严重威胁着人类的生命健康。治疗肝脏疾病的方法有三种：药物治疗，人工肝支持治疗和原位肝移植，而终末期肝脏疾病唯一有效的治疗手段是原位肝移植。但供体短缺、免疫排斥等严重限制了原位肝移植的大范围推广及应用。研究人员将人 iPS 细胞重编程为肝细胞样细胞，其与人原代肝细胞的生物学特性相一致，表达肝细胞相关的特异性分子标记物，如CK7、CK8、CK18、CK19、ALB、AFP、CYP7A1 等，且具备成熟肝细胞的多种功能学特性，包括糖原合成、尿素合成、ICG 排泄和 LDL 吸收功能。

iPS细胞在视网膜病变中的应用

利用 iPS 细胞可成功导出视网膜前驱细胞，将其移植入视网膜变性小鼠体内，可诱导出具有正常视网膜生理特点的视网膜类型的细胞；2013年，研究人员利用2 例老年黄斑变性患者的表皮细胞诱导成 iPS 细胞，随后将 iPS 细胞成功转化成视网膜色素上皮细胞 RPE，随着技术的进步，有望用 iPS 来源的 RPE 细胞，通过移植治疗视网膜病变。

iPS在药物筛选中的应用

前面小编讲到，iPS 可以定向分化成心肌细胞，肝脏细胞等细胞。1990 到 2006 年期间，三分之一的药物安全召回事件均由其心脏毒性而引起，由此，药物心脏毒性问题成为药物研发领域的主要挑战之一。而肝脏有着众多非常重要的功能，诸如：蛋白合成功能、代谢功能、解毒功能和排泄功能等，作为人体内最复杂的器官之一，功能之多样，决定了肝脏是药物毒性检测的重要靶器官。故iPS来源的心肌细和肝细胞在药物筛选方面具有重要的作用。对于神经退行性疾病来说，iPS 来源的神经细胞也是优秀的药筛模型。以 iPS 为来源的药物筛选模型，免受人体胚胎干细胞的伦理道德制约，相较于动物细胞筛选方法，避免了种间差异性，且 iPS 来源丰富，克服了取材上的困难。此外，在筛选模型中获得的相关信息能提供给复杂的人类疾病新的治疗选择，助推个性化医药发展，具有广阔的发展前景。

iPS细胞的其他应用

除了上面小编讲到的应用，iPS 细胞还有望用于治疗 I 型糖尿病，肌萎缩侧索硬化症、杜氏肌营养不良症，镰刀型贫血症等疾病。
 

iPS细胞应用存在的问题

iPS 细胞研究已经过了漫长而辉煌的10多年发展历程。相较于 ES，iPS 细胞尽管避免了免疫排斥和医学伦理学问题，但仍存在一些问题值得深思，亟待解决。首先是安全性问题，iPS 虽然与 ES 类似，但并不是完全一致，其与 ES 相比或者产生 iPS 的体细胞相比，具有更多遗传学和表观遗传学异常，包括染色体异常，基因拷贝数变异，点突变和表观遗传学变异。虽然变异的点不多，变异概率低，但是并不能忽略。其次，是致瘤性问题。iPS 本身就可以形成畸胎瘤；c-Myc，Klf4 本身就是致瘤基因，其插入会导致肿瘤表达；另外，外源基因的随机插入有可能激活原癌基因或者灭活抑癌基因。第三，诱导效率低下，虽然研究人员几经改进方法，但是不少诱导方法的效率依然很低，仅有少量细胞能够完全诱导成功，且有的诱导后的 iPS 细胞状态不稳定。虽然 iPS 细胞技术还存在问题，但是任何一项新技术的应用都将经历一个漫长的过程，iPS 细胞技术也不例外。2016 年 3 月，欧洲 iPS 细胞银行启动了利用 iPS 细胞构建人类疾病细胞模型的计划，相信在政府和各大药物生产商的大力支持下，iPS 细胞技术用于临床细胞治疗过程所需时间将大大缩短。
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