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《科学24小时》

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iPS研究急待“涅槃重生”

2015-09-30 10:15:57

 

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2006年,以山中伸弥教授为首的日本京都大学研究小组通过实验,成功地将小鼠的皮肤细胞——确切地说是成纤维细胞——转化成了干细胞。这是科学家首次获得诱导性多能干细胞,即iPS细胞。

iPS细胞的发现有着不同寻常的意义。首先,它更新了人们的观念,从此之后人们不再认为细胞的命运不可逆转。普通体细胞不仅可以逆转为干细胞,而且还可以实现不同组织间的转分化。其次,它绕过了胚胎干细胞的伦理困境,让很多实验室都可以重复这个简单的实验,开展多能干细胞的研究。最后,iPS细胞还具有很多胚胎干细胞所不具备的优势。诸如,将患者自身的iPS细胞在体外操作后重新植入体内,会大大减少排斥反应。如果将患者的体细胞逆转为iPS细胞,在体外分化并观察这个过程中出现的问题,那么就可以实现在培养皿里模拟疾病的发生。具有疾病特异的iPS细胞在体外扩增和分化以后,还可以用作筛选治疗该疾病的药物,或者对药物的毒性进行检测。

但是这仅仅是新的开始,生命科学如此复杂和不可预测,要把这些愿景变成现实,让iPS细胞真正造福人类,还有诸多的难题需要攻克。

 

发展瓶颈

iPS细胞的产生机制问题

 

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目前,科学家对iPS细胞的产生机制仍不明确。最初,研究者除了认为可能是由导入的4个基因(分别为Oct3/4Sox2c-MycKlf4)激活了干细胞的相关因子,诱导了细胞的再编程外,也并不确定是否因为反转录病毒掺入了细胞基因组的特定位点而导致再编程,或是在外周成纤维细胞培养中本身就存在具有未分化特性的祖细胞,或是细胞基因组已经发生了不能被染色体核型分析所检测到的微小改变,或是外成性的改变导致了再编程的发生。

随着当前iPS细胞研究的进展,尽管一些诸如反转录病毒掺入等可能因素已经被排除,但对其再编程发生机制全貌的了解,仍需进行大量的研究来证明。而这一问题若无法解决,研究者们就无法对每个iPS细胞是否彻底完成了再编程进行判断,也无法获得更为高效、安全的手段来诱导iPS细胞。因此,iPS细胞产生机制的研究,已成为限制iPS细胞研究发展及应用的最大瓶颈,也必将成为未来iPS细胞研究领域重点突破的科学难题。

 

背后阴影

iPS细胞的安全性问题

 

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安全性问题是阻碍iPS细胞走向应用领域的另一个重大问题。早期的iPS细胞诱导主要采用了诸如反转录病毒或慢病毒等病毒载体,但反转录病毒载体存在整合入宿主细胞基因组并导致肿瘤的问题,因此在安全性上难以满足实际需要。当前很多技术上的改进,包括采用非病毒载体,甚至采用药物直接诱导等方式,即使不存在病毒基因的掺入,非病毒载体的质粒片段也可能存在整合,药物也可能诱发基因突变,从而诱发肿瘤的产生。此外,导入的4个基因中的c-Myc具有明确的致肿瘤作用。实验证明,导入c-Myc生成iPS细胞的人工嵌合体小鼠中有50%都会发生肿瘤。同时,仅仅导入其它3个基因同样也存在一定的肿瘤发生率。如何改进并研究出新的低致瘤性的诱导方法、提高iPS细胞的安全性,是未来iPS细胞研究中的重点与难点之一。

 

速度之殇

iPS细胞诱导效率问题

当今的iPS细胞研究尚属于实验探索的阶段。在实验中,从开始诱导iPS细胞到建立稳定的iPS细胞克隆,所需要的时间至少在21天以上,而诱导效率则低于1/50001/10000,也就是说1万个细胞中能被成功再编程,并诱导成为干细胞的不超过12个。

如果单纯从科研的角度而言,这种效率已经足够高了,因为单纯一次实验就可以获得数个克隆的iPS细胞。如果从临床应用的角度考虑,涉及到从患者体内分离并培养大量细胞,以及临床治疗的时效性时,这样的速度和效率是远远满足不了临床需求的。因此,必须大大提高诱导效率,缩短诱导时间。

 

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目前,iPS细胞研究主要通过选取更容易被诱导再编程的细胞、改进诱导方法等手段来提高诱导效率,而这方面的研究必将是今后iPS细胞走向临床应用的重要方向之一。

 

抹不去的痕迹

iPS细胞记忆问题

iPS细胞像胚胎干细胞那样,能无限分裂,也能形成三个胚层。但不同于胚胎干细胞的是,iPS细胞曾经是已经分化的细胞,如皮肤细胞或肌肉细胞。那么,它们仍具有过去某些遗传或细胞意义上的“记忆”吗?近年来的研究表明,这些“记忆”的确以DNA表观遗传标记的形式存在着。

 

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iPS细胞保持了一些表观遗传标记,在原先已分化的细胞中控制着基因的开关。只有把这些标记去除,科学家才能声称得到的iPS细胞与胚胎干细胞毫无差异。理论上来说,将干细胞移植到患者体内的预期用途很多,但是在运用iPS细胞的治疗过程中,致癌基因带来的风险让一些科学家心存疑虑。如果医生能在治疗中避免多能性的步骤,治疗风险将会降低。目前最理想的方案是,从根本上避免进行细胞剔除和移植。那么,有没有药物可以直接作用于人体内的细胞,引发细胞的再分化,从而形成所需的细胞呢?最近科学家发现,已经分化的细胞可以直接转变为另一种类型的细胞。这个被称为“转分化”的过程,吸引了很多科学家对此展开研究。但是科学家仍然不能确定,细胞究竟是直接从一种类型改变为另一种类型,还是期间必须经过一个低分化的阶段。由此可见,要想把这些细胞用于更为详尽的研究或临床应用,还需要做大量的工作。

 

总之,iPS细胞应用于临床实践还有一段漫长的征途。但是相信随着相关研究的不断深入,iPS细胞因其所具有的在自体细胞移植、组织工程、新药物筛选、体外疾病模型建立等方面的优势,在临床应用的前景是广阔的,必将给医学界带来新的希望。






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