诱导性多能干细(IPS细胞)

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1、诱导性多能干细iPS细胞即诱导性多能干细胞。诱导多能干细胞induced pluripotent stem cells iPS： 2006年日本京都大学ShinyaYama naka在世界著名学术杂志细胞上率先报道了诱导多能干细胞的研究。他们把 Oct3/4,Sox2、c-Myc和Klf4这四种转录因子基因克隆入病毒载体，然后引入小鼠成纤维细 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、分化能力等方面都与胚胎干细胞相似。1基本概念诱导多能干细胞(induced pluripotent stem cells, iPS

2、 cells)最初是日本人山中伸弥 (Shinya Yamanaka)于2006年利用病毒载体将四个转录因(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的一种细胞类型口随后 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因此获得诺贝尔牛理学和 医学奖。2硏究历程iPS细胞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K

3、lf4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，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Na nog和LIN28 这种因子组合。这些研究成果被美国科学杂志

4、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 不必先经过诱导多能干细胞这一步。2009年，中国科

5、学家于2008年11月利用iPS细胞培育出小鼠一“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 干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

6、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）。1ips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Na nog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

7、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介值。23优点与经典的胚胎干细胞技术和体细胞核移植技术不同，iPS技术不使用胚胎细胞或卵细 胞，

8、因此没有伦理学的问题。利用iPS技术可以用病人自己的体细胞制备专有的干细胞，所以不会有免疫排斥的问 题。4成果发布2007年11月20日，美国威斯康星大学詹姆斯汤姆森的研究小组在科学杂志发 表体细胞转变成“诱导性多能干细胞”（iPS细胞）的成果，而日本京都大学教授山中申弥领 导的研究小组也于同日在细胞杂志发表类似的研究结果。紧接着皮肤细胞转为干细胞后， 美国马萨诸塞州怀德海特生物医学研究所的雅各布汉纳的小组用来自患病小鼠尾巴的皮肤 细胞产生了诱导性多能干细胞。这些研究人员然后用一个名为基因特异打靶的方法用健康版 本的基因取代了涉及镰刀形红细胞贫血症的基因。当这些诱导性多能干细胞发育成造血干细

9、胞（造血干细胞能生成各种血液和免疫细胞）后,研究人员将它们输给供体小鼠，这些细胞 在小鼠身上开始产生健康的血细胞。研究人员报告说，这些小鼠的疾病症状因此有很大改善。研究方法IPS细胞是由一些多能遗传基因导入皮肤等细胞中制造而成。在制造过程中，研究人 员使用了 4种遗传基因，同时加入了 7种包括可阻碍特定蛋白质合成的物质和酶在内的化 合物，以研究其各自的制造效率。研究结果显示，没有添加化合物时，遗传基因的导入效率 为0.01%-0.05%,而加入了一种叫“巴尔普罗酸”的蛋白质合成阻碍剂之后，导入效率竟升至 9.6%-14%。如果从这4种遗传基因中排除导致细胞癌化的遗传基因，只使用3种基因，过 去

10、的导入效率只有0.001%甚至更低，而加入巴尔普罗酸”之后，其效率也提高了约50倍。 研究人员认为，这很可能是因为巴尔普罗酸”可以促进多能遗传基因的活性。今后，研究人 员将就添加化合物是否会使遗传基因产生变异展开研究，以在提高制造效率的同时保证安全 性。面临困难这些研究人员警告说，用诱导性多能干细胞治疗人类疾病仍然需要克服许多关键障碍。 比如，添加4个“重新编程”基因或取代疾病细胞中有缺陷基因的方法都可能有导致癌症的副 作用。在诱导性多能干细胞能被考虑用于人类疗法之前,研究人员需要发展出安全的方法来 解决这些以及其他可能的问题。5相关硏究2012年10月8日，瑞典卡洛琳斯卡医学院宣布，将201

11、2年的诺贝尔医学生理学奖 授予日本京都大学教授山中伸弥和英国发育生物学家剑桥大学博士约翰戈登。获奖成果为山中教授从皮肤细胞等体细胞中培育出了 诱导多能干细胞in duced pluripotent stem cells”，即iPS细胞。iPS细胞能培养出各种细胞，因此山中教授的发明为 再生医疗开辟了一条崭新的道路。山中教授在2006年8月公布了他的研究成果，他将4个基因注入从老鼠尾巴中所提 取的体细胞中，并成功地培养出了 iPS细胞。在2007年11月他宣布，这项实验在人体皮 肤细胞上也获得了成功3新华社北京12月2日电（记者李斌）由于能使成体细胞返老还童”为干细胞，诱导多 功能干细胞（iPS

12、细胞）是干细胞领域的研究热点。中国科学院广州生物医药与健康研究院 裴端卿研究员、陈捷凯副研究员等人经过多年努力，破解了 iPS细胞诱导过程中一个极为 重要的障碍，论文2日在线发表在自然 遗传学杂志上。2012年10月，英国和日本两位科学家因“发现成熟细胞可以被重新编程为多功能的干 细胞（即诱导多功能干细胞）”而摘取2012年度诺贝尔生理学或医学奖，从而使诱导多功 能干细胞更为人们所知晓。虽然基于iPS细胞的各种研究热火朝天，但科研人员一直受困于诱导率低、速度慢、 组成复杂等障碍，研究效率并不高。这种情况又反过来制约科研人员对iPS诱导过程分子 机理的理解，造就了 iPS技术研究远快于基础研究，

13、而近两年来技术研究也明显面临瓶颈 的状况。研究过程中，裴端卿及其团队发现iPS细胞诱导过程中大量出现一类细胞克隆,外观、 生长速度等各方面酷似干细胞，却没有干细胞应有的基因表达和功能。“这些细胞克隆可以说是衣着光鲜的假货，在经典的诱导环境中大量存在，且状态稳定， 犹如iPS诱导过程的路障，大部分细胞都被阻碍在路障之外，严重阻碍科研人员获得真正 的iPS细胞。”裴端卿说。经过深入研究，科学家发现诱导培养iPS细胞所使用的血清是诱发这个“路障”的元凶： 细胞中的一种蛋白BMP蛋白对重编程过程起抑制作用。研究人员进一步发现，这些酷似干细胞的“假货”在某些诱导条件下，如用维生素C处 理，也会变成货真价

14、实的诱导多功能干细胞。“它们只是一种未完全重编程的iPS细胞，换句话说，就是半成品。”裴端卿形象地解释。哈佛大学再生医学中心教授康拉德说，这一发现是决定细胞命运的分子机制研究的重 大突破，将使研究者更高效更高质量地制备诱导多功能干细胞，加快制备来自病人疾病的特 异细胞系，加快阿尔茨海默氏症、帕金森氏症等疾病的药物研发。6科学丑闻2012年10月就iPS细胞（诱导多能干细胞）制作心肌细胞移植给重症心脏病患者的 研究成果属于虚构一事，东京大学医院的特任研究员森口尚史自己承认了造假的事实。7由于iPS细胞自身的安全性问题，到2012为止，iPS细胞还无法应用于临床治疗，要 得到安全实用的有临床应用价

15、值的治疗型iPS细胞，必须避免使用整合性病毒以及有致癌 性的外源基因。根据iPS细胞在短时间内取得的一系列突破，可以预见,iPS细胞必将解决 人类面临的各种疾患。但是还面临许多急待突破瓶颈和需要深入研究的领域：（1）研究iPS细胞自我复制、增殖和分化等的调控机制及iPS细胞体外定向诱导分化 机制；（2）充分评价iPS细胞临床应用的安全性；（3）建立无遗传修饰的iPS细胞制备方法（如仅利用蛋白或小分子化合物即将人的细 胞重编程为iPS细胞）。用iPS细胞复活“日本朱鹮”首先，利用病毒媒介将可以初始化细胞的四个基因，分别导入在冷冻箱中保存的日本 朱鹘的成纤维细胞中，培育出iPS细胞。再将iPS细胞

16、移植到人工繁殖得到的日本外的朱 鹘的胚胎（反复分裂的受精卵）中。这样，由日本朱鹘的iPS细胞，与日本外朱鹘的受精 卵混杂在一起，就产生了一个新个体（杂交朱鹘）。使杂交朱鹘之间相互交配，就可以使日 本朱鹘的iPS细胞产生生殖细胞相互交配并产生个体，也就可以使日本朱鹘复活了 8新方法研究人员用来产生诱导性多能干细胞（in duced pluripote nt stem cells, iPSCs ）的方法既 花时间而且效率又低。按照当前的方法，当把四种转录因子导入成体细胞如皮肤细胞中时， 利用上千个皮肤细胞最终只能获得几个iPSCs。为此，在这项新的研究中，来自美国桑福德 -伯纳姆医学研究所（Sa nford-Bur nham Medical Research In stitute）