干細(xì)胞的研究及其在臨床實(shí)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(xiǎn)。此外，胚胎細(xì)胞的使用在倫理上是不可接受的，因?yàn)檫@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(shí)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(lái)，對(duì)干細(xì)胞應(yīng)用的科學(xué)但普遍的興趣穩(wěn)步增長(zhǎng)。 

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(wú)法治愈的疾病帶來(lái)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(shí)做出了貢獻(xiàn)，但同時(shí)也提出了許多有待解答的問(wèn)題。第一個(gè)爭(zhēng)議與術(shù)語(yǔ)本身有關(guān)。蘇聯(lián)科學(xué)家Alexander Friedenstein分離出在實(shí)驗(yàn)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(shuō)，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(shí)激發(fā)了人們對(duì)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(lái)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?yàn)榉蛛x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(xiǎn)^[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(lái)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(dòng)物實(shí)驗(yàn)證實(shí)，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(dòng)功能的恢復(fù)^[10]。2015年報(bào)道了hESCs在治療年齡相關(guān)性黃斑變性和Stargardt黃斑營(yíng)養(yǎng)不良方面的成功臨床應(yīng)用。在22個(gè)月后的兩項(xiàng)前瞻性研究中，與對(duì)照組相比，大多數(shù)患者的視力有所改善。沒(méi)有報(bào)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(guò)體外受精 (IVF) 使用胚胎來(lái)克服該問(wèn)題。然而，胚胎是否是未來(lái)人類的道德困境，即使是在體外產(chǎn)生的，仍然是爭(zhēng)論的主題，并且在不同國(guó)家有不同的對(duì)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(duì)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(méi)有倫理影響或潛在的健康風(fēng)險(xiǎn)。

2006 年，日本科學(xué)家Takahashi和Yamanaka通過(guò)賦予胚胎細(xì)胞特性，成功地對(duì)小鼠細(xì)胞成纖維細(xì)胞進(jìn)行了重新編程。他們通過(guò)添加四個(gè)多能性相關(guān)基因（即所謂的 Yamanaka 因子）實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)：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(shí)，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(shì)在于它們可以維持多能性而不會(huì)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(yàn)。?

可以通過(guò)對(duì)任何體細(xì)胞進(jìn)行重新編程來(lái)獲得iPSC。整個(gè)過(guò)程可以分為3個(gè)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(yíng)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(guò)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(guò)兩種方式將轉(zhuǎn)錄因子引入體細(xì)胞：通過(guò)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(guò)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(tái)病毒、質(zhì)粒DNA、RNA和蛋白質(zhì)^[14]。

經(jīng)證實(shí)，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(shì)，當(dāng)注入胚胎皮層時(shí)，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(dòng)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(duì)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(méi)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(shí)起，已經(jīng)批準(zhǔn)了多項(xiàng)使用同種異體來(lái)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(guó)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(guò)程的一部分會(huì)導(dǎo)致誘變^[24]。兩個(gè)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(wèn)題中的大多數(shù)通過(guò)實(shí)施“非整合”因素得到解決^[29,30]。使用自??體來(lái)源制備iPSC，雖然在免疫學(xué)上是安全的，但過(guò)程非常緩慢且耗時(shí)，無(wú)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(lái)源易發(fā)生自身免疫反應(yīng)。使用免疫抑制劑后會(huì)出現(xiàn)不良反應(yīng)^[32]。存在通過(guò)將供體的HLA與大多數(shù)人群相匹配來(lái)形成細(xì)胞庫(kù)來(lái)解決該問(wèn)題的嘗試。

結(jié)論

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

重新編程成體細(xì)胞的可能性開(kāi)辟了再生受損組織和恢復(fù)功能的前景，而不會(huì)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(kāi)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。

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