诱导性多能干细胞(IPS)的研究进展及应用前景
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郭永平1贾俊忠2贾 燕3
(巴彦淖尔市医院，内蒙古巴彦淖尔市 015000)
【摘要】诱导性多能干细胞技术(IPS)是分化成熟的体细胞在体外重新编程，打破分化体细胞的基因“沉默”现象，被诱导为多潜能干细胞，从而具有与胚胎干细胞相似的自我更新能力和发育多潜能性。这为特殊疾病的治疗和新型药物的筛选提供了方向和帮助，将使患者特异性的诱导性多潜能干细胞成为再生医学、药物筛选毒理测试的理想工具，同时避免了免疫排斥和伦理问题。
【关键词】IPS；转录因子；研究进展；应用前景
1 干细胞
干细胞的研究是21世纪生命科学领域中最热门和前沿的课题之一，其是各种器官组织细胞的初始来源，具有增殖、更新和多向分化的特性。干细胞按照来源不同，分为成体干细胞和胚胎干细胞。成体干细胞主要有胰腺干细胞、骨髓间充质干细胞、神经干细胞等，理论上其在特定条件下可分化为特异的组织器官，是修复和再生的基础。
2 诱导性多能干细胞的研究进展
科学家在研究胚胎干细胞的过程中，一直被干细胞的来源及伦理学问题困扰和谴责。为了避开HES细胞和治疗性克隆研究的伦理学争论，科学家努力尝试找到一条将人类的体细胞直接转化为多潜能干细胞的途径，即诱导多潜能干细胞技术。
1996年，英国科学家将供体细胞的细胞核移植到去掉细胞核的受体卵母细胞中，从而导致Dolly羊的诞生，这在生命科学领域引起不小的轰动。后续科学家从中得到启发，受体细胞的细胞质中含有某种或某些重启细胞核基因表达的因子成分。
2003年，Gurdon团队研究发现，将小鼠胸腺细胞和成人外周血淋巴细胞的细胞核注入爪蟾卵母细胞后，Oct4呈现高度表达，这是哺乳动物干细胞中最具特征性的标志物，而细胞核的分化标志物丧失。这就说明实验中哺乳动物的细胞核可直接被卵母细胞质成分因子重构，从而表达Oct4，这项研究开启了诱导人类体细胞转变成干细胞的新思路。
2006年，Yamanaka研究小组从纯化的24个因子中筛选出Oct4、Sox2、c-Myc、Klf4 4个转录因子，利用基因转染技术，即通过逆转录病毒将转录因子导入胚胎小鼠成纤维细胞，获得了Fbx15的多潜能干细胞系。该细胞系在细胞形态、表面标志物、生长特性、形成畸胎瘤等方面与小鼠ES细胞近乎相似，而在DNA甲基化方式、基因表达谱方面与小鼠ES细胞存在一定差异。
2007年，Yamanaka研究小组进一步用小鼠Nanog细胞株代替Fbx15进行筛选，形成Nanog的IPS细胞系。经进一步观察和检测，该细胞在生长特性、形态、标志物表达等方面与小鼠ES细胞非常相似，而且在DNA甲基化方式、基因表达谱、染色质状态等方面也与小鼠ES细胞几乎完全相似。同时研究发现，重新激活原癌基因c-Myc是嵌合体动物形成肿瘤的原因；参与转染的4个转录因子在IPS细胞中没有表达，表明这些转录因子只在诱导过程中起作用。
随后，Yamanaka研究小组又成功地开发了人皮肤成纤维细胞的IPS细胞系。这类IPS细胞在增殖能力、基因表达谱、细胞形态、表面抗原标志、表观遗传学、端粒酶活性等方面与hES细胞相似，并且在体外培养时和在小鼠体内畸胎瘤形成中均可分化为3个胚层的不同细胞类型。
与此同时，威斯康辛大学Thomson研究小组也报道了成功诱导胎儿成纤维细胞转化为具有hES细胞基本特征的人类IPS细胞。不过与Yamanaka不同的是，他们导入的载体和转录因子不同，该研究团队使用慢病毒作为载体，并在14个候选基因中选择了Oct4、Sox2、Nanog、Lin28 4个转录因子进行转导。随后科学家证实Oct4和Sox2在IPS细胞诱导过程中是必需的，这两个转录因子使得人类IPS细胞具有多潜能性，而另外两个转录因子（Klf4、c-Myc）在改变染色质的结构具有一定的作用，并且有利于Oct4和Sox2的结合，以提高诱导效率。
Hannaetal进行了IPS细胞应用基础研究的首次动物模型试验。首先利用人类镰状细胞性贫血的小鼠动物模型，取其尾尖部皮肤的成纤维细胞，接着导入Oct4、Sox2、Klf4及c-Myc转录因子，获得自体IPS细胞；进一步采用基因特异性打靶技术对人类镰状血红蛋白等位基因进行纠正后，将体外培养的自体IPS细胞诱导为造血干细胞，移植后可治疗动物模型的镰状细胞性贫血。
3 诱导性多能干细胞的应用前景
IPS技术的出现，为细胞与基因、个体及机体生物学功能之间架起了一座桥梁，其在干细胞研究领域、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 等维持于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，已经证实几种已知的转录因子可以使已分化的体细胞逆转为未分化的状态，并且具有一定的可塑性，摆脱了对使用卵细胞或者胚胎的依赖。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在癌症研究中也将发挥出巨大作用。肿瘤细胞与多潜能细胞具有很多相似之处，都具有永生化特点，也都能成为肿瘤。因此，IPS将有助于阐明永生化、癌变与重编程过程之间的重要联系。
尽管IPS细胞研究的突破为许多退行性或损伤性疾病的治疗学发展带来巨大的希望，但其真正的临床应用前景尚需进一步观察和考证。该技术在应用于临床之前，还面临许多问题：(1) 需要建立一种新的方法以避免基因转染带来的潜在风险，因为在转染过程中逆转录病毒和慢病毒载体会导致肿瘤的发生；(2)还需深入比较IPS细胞和hES细胞在细胞生物学特性、定向分化机制等方面是否具有显著的差异；(3)提高制备IPS细胞的质量和效率。
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