干細(xì)胞的研究及其在臨床實踐中的應(yīng)用代表了現(xiàn)代科學(xué)中最令人興奮的領(lǐng)域之一。由于其特殊性質(zhì)，干細(xì)胞提供了恢復(fù)受損組織和受損器官功能的可能性。胚胎起源的多能細(xì)胞以及重新編程的成體細(xì)胞具有最大的再生潛力，但也具有最大的腫瘤發(fā)展和自身免疫反應(yīng)的風(fēng)險。此外，胚胎細(xì)胞的使用在倫理上是不可接受的，因為這意味著胚胎的破壞。這篇文章分析了多能干細(xì)胞的潛力，同時也分析了科學(xué)家目前面臨的局限和挑戰(zhàn)。

自從加拿大科學(xué)家Ernest McCulloch和James Till在1960年代初期發(fā)現(xiàn)造血細(xì)胞能夠治愈血液疾病以來，對干細(xì)胞應(yīng)用的科學(xué)但普遍的興趣穩(wěn)步增長。 

干細(xì)胞是人體內(nèi)的特定細(xì)胞，能夠分裂和分化成其他類型的細(xì)胞，形成新的組織并恢復(fù)受損的功能。干細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)給許多目前無法治愈的疾病帶來了最終治愈的希望。

大量的科學(xué)論文為關(guān)于干細(xì)胞的性質(zhì)及其功能的新知識做出了貢獻(xiàn)，但同時也提出了許多有待解答的問題。第一個爭議與術(shù)語本身有關(guān)。蘇聯(lián)科學(xué)家Alexander Friedenstein分離出在實驗室條件下將細(xì)胞祖細(xì)胞呈遞給成纖維細(xì)胞和其他中胚層折疊細(xì)胞的細(xì)胞^[1]。Caplan將這些細(xì)胞命名為“間充質(zhì)干細(xì)胞”^[2]，但25年后，同一位作者提出了其他名稱“Medicinal Signaling Cells”^[3]。

重命名的主要原因是采用了干細(xì)胞旁分泌作用的假??說，而不是在受損組織部位直接轉(zhuǎn)化為“新細(xì)胞”。 

這種先進(jìn)的知識激發(fā)了人們對干細(xì)胞的真正潛力、其作用的局限性以及科學(xué)面臨的挑戰(zhàn)的思考。

干細(xì)胞治療的潛力

干細(xì)胞是未分化的細(xì)胞，在某些情況下可以分化成所有類型的細(xì)胞。這使它們最終能夠再生受損組織并恢復(fù)身體的功能[4]它們可以按不同的方式分類（圖1）。

胚胎細(xì)胞、嬰兒細(xì)胞和成體細(xì)胞被認(rèn)為具有治療效率。最近，與胚胎細(xì)胞具有相似特性的重編程成體細(xì)胞引起了人們的關(guān)注。它們被命名為誘導(dǎo)多能干細(xì)胞 (iPSC)。

人類胚胎干細(xì)胞 (hESC)

由于它們的多能特性，胚胎來源的細(xì)胞可能具有最大的治療潛力。然而，它們的使用是被禁止的，因為分離細(xì)胞需要破壞胚胎，此外，還存在排斥和惡性腫瘤的風(fēng)險^[5]。 

1998年Thompson小組首次從囊胚內(nèi)層獲得胚胎干細(xì)胞^[6,7]。他們使用體外受精卵來獲得細(xì)胞。這些多能細(xì)胞具有自我更新和增殖到所有胚層的特性。它們可以分化成200多種源自內(nèi)胚層、外胚層和中胚層的細(xì)胞類型 ^[8,9]。

臨床前研究提供了有希望的結(jié)果。動物實驗證實，胚胎干細(xì)胞移植導(dǎo)致少突膠質(zhì)細(xì)胞祖細(xì)胞的形成和脊髓損傷后運(yùn)動功能的恢復(fù)^[10]。2015年報道了hESCs在治療年齡相關(guān)性黃斑變性和Stargardt黃斑營養(yǎng)不良方面的成功臨床應(yīng)用。在22個月后的兩項前瞻性研究中，與對照組相比，大多數(shù)患者的視力有所改善。沒有報告明顯的不良反應(yīng)^[11]。

與胚胎干細(xì)胞應(yīng)用相關(guān)的倫理困境仍然是激烈討論的主題，不僅涉及科學(xué)家，還涉及立法者、宗教權(quán)威和政治家。試圖通過體外受精 (IVF) 使用胚胎來克服該問題。然而，胚胎是否是未來人類的道德困境，即使是在體外產(chǎn)生的，仍然是爭論的主題，并且在不同國家有不同的對待。

誘導(dǎo)多能干細(xì)胞 (iPSC)

考慮到上述挑戰(zhàn)，科學(xué)家們的研究旨在對成體細(xì)胞進(jìn)行重新編程，使其具有與胚胎細(xì)胞相似的特性，但沒有倫理影響或潛在的健康風(fēng)險。

2006 年，日本科學(xué)家Takahashi和Yamanaka通過賦予胚胎細(xì)胞特性，成功地對小鼠細(xì)胞成纖維細(xì)胞進(jìn)行了重新編程。他們通過添加四個多能性相關(guān)基因（即所謂的 Yamanaka 因子）實現(xiàn)了這一點：Oct3/4、SOX2、c-Myc和Klf4。這些細(xì)胞被命名為誘導(dǎo)多能細(xì)胞 (iPSC) ^[12]。類似的結(jié)果在人類身上得到了復(fù)制。與此同時，另一組科學(xué)家（Thomson’s group）宣布利用不同的因子發(fā)明了人類iPSC^[13]。

誘導(dǎo)多能干細(xì)胞的主要優(yōu)勢在于它們可以維持多能性而不會產(chǎn)生倫理后果。它們可用于受損組織的再生，也可用于分析各種疾病的分子變化，以及藥理物質(zhì)的毒性和其他性質(zhì)的檢驗。?

可以通過對任何體細(xì)胞進(jìn)行重新編程來獲得iPSC。整個過程可以分為3個階段：

– 細(xì)胞的分離和培養(yǎng)，

– 轉(zhuǎn)染了轉(zhuǎn)錄因子的細(xì)胞，

– 細(xì)胞及其擴(kuò)增分析 (14)（圖2）。

(1)培養(yǎng)的建立：培養(yǎng)源細(xì)胞以進(jìn)一步用作宿主細(xì)胞以遞送重編程蛋白。

(2) 然后用 Yamanaka 雞尾酒中的四種因子轉(zhuǎn)染培養(yǎng)的源細(xì)胞，并在合適的培養(yǎng)基條件下在為宿主細(xì)胞提供營養(yǎng)并負(fù)責(zé)形成細(xì)胞外基質(zhì)的飼養(yǎng)層上孵育?？梢允褂脙煞N類型的方法將重編程因子遞送到體細(xì)胞中——整合病毒載體系統(tǒng)和非整合方法。

(3) iPSCs形成后，通過不同的形態(tài)學(xué)和理化分析表征，隨后是iPSCs的擴(kuò)增。

可以通過兩種方式將轉(zhuǎn)錄因子引入體細(xì)胞：通過整合病毒載體系統(tǒng)和非整合系統(tǒng)。集成系統(tǒng)涉及使用通過載體整合到體細(xì)胞基因組中的逆轉(zhuǎn)錄病毒和扁豆病毒^[15]。非整合法涉及使用“非整合物質(zhì)”，如腺病毒和仙臺病毒、質(zhì)粒DNA、RNA和蛋白質(zhì)^[14]。

經(jīng)證實，用 OCT4、SOX2、KLF4 和 MYC 因子修飾的小鼠成纖維細(xì)胞顯示出增殖為膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)祖細(xì)胞的趨勢，當(dāng)注入胚胎皮層時，這些祖細(xì)胞遷移并分化為神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)元^[16]。

iPSC已在動物研究中用于治療帕金森病^[17]、血小板缺乏癥^[18]、脊髓損傷^[19]、黃斑變性^[20]和許多其他病癥。

2014年在日本理化學(xué)研究所對黃斑變性患者進(jìn)行了首次臨床應(yīng)用^[21]。在第一位患者中記錄到疾病在沒有顯著不良或免疫反應(yīng)的情況下減慢。然而，出于安全原因，該研究在另一名患者中停止^[22]。從那時起，已經(jīng)批準(zhǔn)了多項使用同種異體來源的iPSC的臨床研究。大多數(shù)正在進(jìn)行的研究在日本獲得國家批準(zhǔn)。這些研究與帕金森病、AMD、嚴(yán)重心力衰竭、再生障礙性貧血、脊髓損傷和角膜干細(xì)胞缺乏癥有關(guān)^[23]。

iPSCs的應(yīng)用面臨諸多挑戰(zhàn)。使用完整的病毒系統(tǒng)最初產(chǎn)生了不到1%的iPSC。還發(fā)現(xiàn)慢病毒和逆轉(zhuǎn)錄病毒的插入作為整合過程的一部分會導(dǎo)致誘變^[24]。兩個Yamanaka因子c-Myc和Klf4具有多能性但也具有致癌特性^[25]。另一種 Yamanaka 因子 Oct3/4 在胰腺癌、胃癌、口腔鱗狀細(xì)胞癌、精原細(xì)胞瘤和膀胱癌等不同癌癥的發(fā)生發(fā)展中也發(fā)揮作用^[26-28]。

這些問題中的大多數(shù)通過實施“非整合”因素得到解決^[29,30]。使用自??體來源制備iPSC，雖然在免疫學(xué)上是安全的，但過程非常緩慢且耗時，無法廣泛應(yīng)用^[31]。由于供體的HLA系統(tǒng)與受體的不相容性，同種異體來源易發(fā)生自身免疫反應(yīng)。使用免疫抑制劑后會出現(xiàn)不良反應(yīng)^[32]。存在通過將供體的HLA與大多數(shù)人群相匹配來形成細(xì)胞庫來解決該問題的嘗試。

結(jié)論

對多能干細(xì)胞應(yīng)用的興趣不斷增加，越來越多的已發(fā)表研究證實了這一點^[33]。

重新編程成體細(xì)胞的可能性開辟了再生受損組織和恢復(fù)功能的前景，而不會產(chǎn)生倫理影響。臨床前研究和初步臨床結(jié)果令人鼓舞，盡管仍然存在許多阻礙更頻繁臨床應(yīng)用的挑戰(zhàn)。

它期望選擇最合適的細(xì)胞、開發(fā)新技術(shù)以及更好地了解多能細(xì)胞與宿主環(huán)境的相互作用將有助于更安全的應(yīng)用和更好的治療結(jié)果。

參考資料：

1. Friedenstein AJ, Piatetzky S, Petrakova KV. (1966) Osteogenesis in transplants of bone marrow cells. J Embryol. Exp Morphol. 16:381-90.
2. Caplan AI. (1991) Mesenchymal stem cells. J Orthop Res. 9(5):641-50.
3. Caplan AI.  (2017) Mesenchymal Stem Cells: Time to Change the Name! Stem Cells Translational Medicine. Stem Cells Transl Med. 6(6):1445-51.
4. Biehl JK, Russell B. (2009) Introduction to Stem Cell Therapy. J Cardiovasc  Nurse. 24(2):98-105.
5. Zhang M, Cheng L,Yuyan J. (2016) Aneuploid embryonic stem cells exhibit impaired differentiation and increased neoplastic potential. EMBO J.  35(21):2285-300.
6. Thomson JA, Itskovitz-Eldor J, Shapiro SS, Waknitz MA, Swiergiel JJ, et al. (1998) Embryonic stem cell lines derived from human blastocysts. Science. 282(5391):1145-7.
7. Keller. (2005) Embryonic stem cell differentiation: emergence of a new era in biology and medicine. Genes Dev. 19:1129-55.
8. Itskovitz-Eldor J, Schuldiner M, Karsenti D, Eden A, Yanuka O, et al. (2000) Differentiation of human embryonic stem cells into embryoid bodies compromising the three embryonic germ layers. Mol Med. 6(2):88-95.
9. Wray J, Hartmann Ch. (2012) WNTing embryonic stem cells. Trends Cell Biol. 22(3):159-68.
10. Keirstead HS, Nistor G, Bernal G. (2005) Human Embryonic Stem, Cell-Derived Oligodendrocyte Progenitor Cell Transplants Remyelinate and Restore Locomotion after Spinal Cord Injury. J Neurosci. 25(19):4694-705.
11. Schwartz DS, Regillo C, Lam LB, Eliott D, Rosenfeld PJ, et al.  (2015) Human embryonic stem cell-derived retinal pigment epithelium in patients with age-related macular degeneration and Stargardt’s macular dystrophy: follow-up of two open-label phase 1/2 studies. Lancet. 385(9967):509-16.
12. Takahashi K, Yamanaka S. (2006). Induction of pluripotent stem cells from mouse embryonic and adult fibroblast cultures by defined factors. Cell. 126:663-76.
13. Yu J, Vodyanik AM, Smuga-Otto K, Bourget JA, Frane JL, et al. (2007). Induced pluripotent stem cell lines derived from human somatic cells. Science 318,1917-20.
14. Vimal SK, Manish K,  Neeraj K, Abhishek S, Ramesh C. (2015) Induced pluripotent stem cells: applications in regenerative medicine, disease modeling, and drug discovery. Front Cell Dev Biol. 3:2.
15. Takahashi K, Ichisaka T, Yamanaka S. (2006). Identification of genes involved in tumor-like properties of embryonic stem cells. Methods Mol Biol. 329:449-58.
16. Wernig M Zhao JP, Pruszak J, Hedlund E, Fu D, Soldner ,F et al. (2008) Neurons derived from reprogrammed fibroblasts functionally integrate into the fetal brain and improve symptoms of rats with Parkinson’s disease. Proc Natl Acad Sci. 105(15):5856–61.
17. Kriks S, Shim JW, Piao J, Ganat YM, Wakeman DR, et al. (2011) Dopamine neuronsderived from human ES cells efficiently engraft in animal models of Parkinson’s disease. Nature 480:547-51.
18. Takayama N, Nishimura S, Nakamura S, Shimizu T, Ohnishi R, et al. (2010). Transient activation of c-MYC expression is critical for efficient platelet generation from human induced pluripotent stem cells. J Exp Med. 207(13):2817-830.
19. Nori S, Okada Y, Yasuda A, Tsuji O, Takahashi Y, et al. (2011). Grafted human induced, pluripotent stem-cell-derived neurospheres promote motor functional recovery after spinal cord injury in mice. Proc Natl Acad Sci USA. 108:16825-830.
20. Okamoto S, Takahashi M. (2011) Induction of retinal pigment epithelial cells from monkey iPS cells. Invest  Ophthalmol Vis Sci. 52(12):8785-879.
21. Eguizabal C, Aran B, Chuva de Sousa Lopes SM, Geens M, Heindryckx B, Panula S, et al. (2019) Two decades of embryonic stem cells: A historical overview. Human Reprod Open. 2019(1):1-17.
22. Mandai M, Watanabe A, Kurimoto Y, Hirami Y, Morinaga C, Daimon T, et al. (2017) Autologous induced stem-cell-derived retinal cells for macular degeneration. The New England J Med. 376:1038-46.
23. https://www.intechopen.com/books/8026
24. S Yamanaka. (2009) Elite and stochastic models for induced pluripotent stem cell generation. Nature.  460(7251):49-52.
25. Klimczak M. (2015) Oncogenesis and induced pluripotency – commonalities of signalling pathways. Contemp Oncol (Pozn). 19(1A):A16-A21.
26. Wasik AM, Grabarek J, Pantovic A, Pobuda AC, Asgari HR, et al. (2014) Reprogramming and carcinogenesis-parallels and distinctions. Int Rev Cell Mol Biol. 308:167-203.
27. Koide H. (2014) Embryonic stem cells and oncogenes. Pluripotent Stem Cell Biology-Advances in Mechanisms, Methods and Models. InTech. 2014:41–61.
28. Lu Y, Zhu H, Shan H, Lu J, Chang X, et al. (2013) Knockdown of Oct4 and Nanog expression inhibits the stemness of pancreatic cancer cells. Cancer Lett. 240:113–23.
29. Fusaki N, Ban H, Nishiyama A, Saeki K, Hasegawa M. (2009) Efficient induction of transgene-free human pluripotent stem cells using a vector based on Sendai virus, an RNA virus that does not integrate into the host genome. Proc Jpn Acad Ser B Phys Biol Sci. 85(8):348-36.
30. Warren L. (2010) Highly efficient reprogramming to pluripotency and directed differentiation of human cells with synthetic modified mRNA. Cell Stem Cell 7(5):618 -30.
31. Bravery CA. (2015) Do human leukocyte antigen-typed cellular therapeutics based on induced pluripotent stem cells make commercial sense? Stem Cells Dev. 24(1):1-10.
32. Malat G, Culkin C. (2016) The ABCs of Immunosuppression: A Primer for Primary Care Physicians. Med  Clin N Am. 100:505-18.
33. Kobold S, Guhr A, Mah N. (2020) A Manually Curated Database on Clinical Studies Involving Cell Products Derived from Human Pluripotent Stem Cells. Stem Cell Reports.  15(2): 546-55.

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