過去十年來，干細(xì)胞療法的開發(fā)取得了巨大的進(jìn)展，這些療法依賴于干細(xì)胞分化方案以及直接細(xì)胞重編程技術(shù)。如今，ClinicalTrials.gov上注冊的干細(xì)胞試驗(yàn)超過6,880項(xiàng)，近年來出版物數(shù)量急劇增加，這表明科學(xué)界的興趣迅速增長。

然而，盡管干細(xì)胞前景廣闊，但尚未發(fā)揮這種治療潛力，而且這種失敗的出現(xiàn)是由于仍需克服的各種技術(shù)挑戰(zhàn)。

在本文中：

• 直接重編程的起源
• 全能、多能和多能
• iPS細(xì)胞：治療潛力有限
• 自體多能干細(xì)胞的直接重編程
• 直接細(xì)胞重編程：體外與體內(nèi)
• 自體重編程細(xì)胞比同種異體細(xì)胞更好
• 直接細(xì)胞重編程的未來：Fortuna Fix和Mogrify

直接重編程的起源

為了解釋直接重編程，我們需要回到開頭。

細(xì)胞是所有生物體的基本組成部分，人體由數(shù)萬億個(gè)細(xì)胞組成。它們?yōu)樯眢w提供結(jié)構(gòu)，從食物中吸收營養(yǎng)，將這些營養(yǎng)轉(zhuǎn)化為能量，并執(zhí)行專門的功能。這些功能由特定細(xì)胞中表達(dá)的基因決定。

體內(nèi)的所有細(xì)胞都含有相同的基因（約22,000個(gè)），但只有某些基因在每個(gè)特定細(xì)胞中“表達(dá)”，從而產(chǎn)生決定該細(xì)胞功能的蛋白質(zhì)。

一組不同的細(xì)胞一起工作以實(shí)現(xiàn)某種功能構(gòu)成組織（例如，神經(jīng)元-星形膠質(zhì)細(xì)胞-少突膠質(zhì)細(xì)胞協(xié)同工作構(gòu)成神經(jīng)元組織）。一組共同工作以實(shí)現(xiàn)身體功能的組織構(gòu)成了一個(gè)器官（例如，大腦或脊髓）。最后，一組協(xié)調(diào)一致的器官重新組合成一個(gè)系統(tǒng)（例如，大腦和脊髓構(gòu)成中樞神經(jīng)系統(tǒng)）。

如果細(xì)胞構(gòu)成組織、器官和系統(tǒng)，那么什么構(gòu)成細(xì)胞呢？

發(fā)育階段：全能、多能和專能細(xì)胞

在人類生命之初，當(dāng)精子與卵子受精時(shí)， 全能細(xì)胞從受精卵中誕生。它們具有變成任何東西（胎盤和胚胎）的能力 ，并以這種形式存在直至16細(xì)胞階段（即，在受精后的前幾次細(xì)胞分裂內(nèi)，直至受精后4天）。在全能性的這個(gè)階段之后，隨著細(xì)胞數(shù)量的增加，多能細(xì)胞出現(xiàn)。

多能細(xì)胞保留產(chǎn)生胚胎任何細(xì)胞的能力（胚胎干細(xì)胞是多能的），但失去了成為胎盤的能力。

受精后3周后，多能細(xì)胞開始將自身組織成3個(gè)胚層（外胚層、中胚層和內(nèi)胚層），并逐漸分化為更明確的狀態(tài)。自從山中伸彌能夠?qū)ⅰ俺墒臁背衫w維細(xì)胞（皮膚細(xì)胞）重新編程為多能干細(xì)胞（誘導(dǎo)多能干細(xì)胞或 iPS 細(xì)胞）以來，多能干細(xì)胞引起了極大的關(guān)注。這項(xiàng)開創(chuàng)性工作使山中伸彌于2012年獲得諾貝爾醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。

然而，由于iPS細(xì)胞的安全性較差，大多數(shù)科學(xué)研究人員放棄了iPS細(xì)胞作為候選治療藥物。（它們回到多能狀態(tài)，除了所需的組織外，還會形成不需要的畸胎瘤，這是一種快速生長的腫瘤，含有所有三個(gè)胚層的細(xì)胞）。事實(shí)上，人們已經(jīng)付出了巨大的努力來嘗試將這些iPS細(xì)胞分化為安全且有效的治療細(xì)胞候選物的多能干細(xì)胞。

多能干細(xì)胞是從三個(gè)胚層之一分化而來的特化干細(xì)胞，但僅限于特定譜系。每種類型的多能干細(xì)胞都會產(chǎn)生其譜系的特化體細(xì)胞：例如，神經(jīng)干細(xì)胞是起源于外胚層胚層的多能干細(xì)胞，是唯一能夠產(chǎn)生神經(jīng)元、星形膠質(zhì)細(xì)胞的多能干細(xì)胞和少突膠質(zhì)細(xì)胞（以及神經(jīng)元組織），并且不具有形成任何其他組織的能力。

iPS細(xì)胞：治療潛力受到安全性、效力和成本的限制

iPS 細(xì)胞有望成為再生醫(yī)學(xué)的福音。研究人員可以將人的皮膚、血液或其他細(xì)胞重新編程為 iPS 細(xì)胞，然后用它們來培養(yǎng)肝細(xì)胞、神經(jīng)元或治療疾病所需的任何細(xì)胞。這種個(gè)性化療法將規(guī)避免疫排斥的風(fēng)險(xiǎn)，并回避使用胚胎和胎兒細(xì)胞的倫理問題。

不幸的是，現(xiàn)實(shí)卻大不相同。事實(shí)證明，以可用于臨床目的的規(guī)模生產(chǎn)自體iPS細(xì)胞衍生的多能干細(xì)胞是非常困難、耗時(shí)且昂貴的。唯一一項(xiàng)使用自體iPS細(xì)胞多能干細(xì)胞的臨床試驗(yàn)因僅一人接受治療而于2015年停止。當(dāng)實(shí)驗(yàn)室準(zhǔn)備治療第二位試驗(yàn)參與者時(shí)，山中伸彌的團(tuán)隊(duì)在患者的iPS細(xì)胞和源自其的視網(wǎng)膜色素上皮 (RPE) 細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)小的基因變化。

沒有證據(jù)表明這兩種突變與腫瘤形成有關(guān)，但“為了安全起見”，試驗(yàn)被擱置。2016年6月，試驗(yàn)重新開始，但轉(zhuǎn)為同種異體細(xì)胞，而不是自體細(xì)胞，大概是出于成本和時(shí)間效率以及安全性的考慮。因此，自發(fā)現(xiàn)iPS細(xì)胞10年后，iPS細(xì)胞不再被視為治療細(xì)胞候選物的關(guān)鍵來源。它們已成為建模和研究人類疾病以及篩選藥物的重要工具。

iPS細(xì)胞已成為實(shí)驗(yàn)室的主力——為研究提供無限量的曾經(jīng)無法接觸到的帶有特定基因突變的人體組織。 

自體多能干細(xì)胞的直接重編程

如今，自體多能干細(xì)胞療法被許多人視為再生和替換器官中受損、丟失或老化細(xì)胞的“圣杯”。骨髓和脂肪干細(xì)胞是替代骨、軟骨和脂肪細(xì)胞的有效治療性多能干細(xì)胞。然而，它們沒有能力替換其他器官中的細(xì)胞，因?yàn)槠渌鞴僦械募?xì)胞來自其他譜系。

直接細(xì)胞重編程的獨(dú)特設(shè)計(jì)使患者的細(xì)胞能夠直接“跳轉(zhuǎn)”到所選的專門多能干細(xì)胞，從而定制修復(fù)受損或患病器官所需的自體多能干細(xì)胞。

直接細(xì)胞重編程不是從患者細(xì)胞中制造多能干細(xì)胞并在較長時(shí)間內(nèi)將其分化為多能干細(xì)胞，而是直接產(chǎn)生所選的特化多能干細(xì)胞，解決了與iPS相關(guān)的安全性、高成本和時(shí)間限制細(xì)胞。

簡而言之，直接細(xì)胞重編程被定義為在體外（實(shí)驗(yàn)室）將體細(xì)胞重編程為其他細(xì)胞類型，而不需要中間多能狀態(tài)。

直接細(xì)胞重編程的另一個(gè)術(shù)語是轉(zhuǎn)分化，即一種分化細(xì)胞類型直接轉(zhuǎn)化為另一種細(xì)胞類型。該過程不需要?jiǎng)?chuàng)建中間多能狀態(tài)或祖細(xì)胞。

直接細(xì)胞重編程|體外與體內(nèi)

直接細(xì)胞重編程的主要方法是根據(jù)  適應(yīng)癥或疾?。瓷窠?jīng)系統(tǒng)疾病），將從可獲取來源（血液、皮膚或骨髓）收獲的體細(xì)胞體外重編程為選擇的專門多能干細(xì)胞類型。用于治療中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的干細(xì)胞、用于治療心臟病的心臟干細(xì)胞等）。這種方法依賴于使用轉(zhuǎn)錄因子和染色質(zhì)重塑劑來永久改變細(xì)胞的表達(dá)模式，將它們鎖定在新的多能干細(xì)胞選擇狀態(tài)中。

這種方法最終臨床成功的關(guān)鍵包括選擇最相關(guān)的細(xì)胞亞型進(jìn)行重編程，避免使用基因操作或病毒載體來改變基因表達(dá)模式，并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的重編程。

正在研究的第二種方法（化學(xué)誘導(dǎo)的直接重編程）依賴于在體內(nèi)使用小分子  （直接在患者體內(nèi)給藥）來誘導(dǎo)細(xì)胞譜系重編程。這樣的策略可能具有成本效益并且聽起來很有吸引力。然而，將小分子藥物全身注射到特定細(xì)胞/組織（而不影響其他細(xì)胞或身體部位）仍需要很多年的時(shí)間。

即使制藥公司經(jīng)過數(shù)十年的研究，靶向藥物輸送仍然是該行業(yè)的一個(gè)關(guān)鍵問題。因此， 在體內(nèi) ，這種方法會引起重大的安全問題，因?yàn)檫@些藥物可能會產(chǎn)生廣泛的影響（例如，將體內(nèi)的許多或大部分細(xì)胞變成神經(jīng)元）。

直接重編程的多能干細(xì)胞注定是譜系限制性干細(xì)胞，能夠再生并生長其特定譜系的特定組織。

它們提供的“新種子”實(shí)際上可以重新生長目標(biāo)受損的組織或器官。（這種獨(dú)特的功能有時(shí)會與不具備此功能的多能干細(xì)胞相混淆，但多能干細(xì)胞也可以分化成一些不需要的細(xì)胞類型）。這種受限的能力還意味著正確類型的干細(xì)胞可以而且應(yīng)該用于待治療的特定組織或器官。例如，造血干細(xì)胞或間充質(zhì)干細(xì)胞如果植入中樞神經(jīng)系統(tǒng)，其再生能力有限且沒有細(xì)胞替代能力，而神經(jīng)干細(xì)胞是為此特定目的而進(jìn)化的細(xì)胞。

人們普遍缺乏對這一特征的認(rèn)識，導(dǎo)致了混亂，例如，間充質(zhì)干細(xì)胞（MSC）已被植入許多不相關(guān)的組織（例如大腦）中，正如預(yù)期的那樣，這導(dǎo)致了有限的有益效果。這種方法也可能是有害的，因?yàn)橐幻邮芰诉@些 MSC 注射到眼睛中的患者實(shí)際上開始在她的眼睛內(nèi)生長骨骼。

自體重編程細(xì)胞比同種異體細(xì)胞更好

對于任何干細(xì)胞來說，要正確、有效、永久地替換患者組織中的細(xì)胞，干細(xì)胞必須具有正確的譜系和自體 （患者自己的細(xì)胞在正確的器官或組織中），并且足夠“年輕”才能被使用。能夠勝任這份工作。到目前為止，這在干細(xì)胞領(lǐng)域還沒有發(fā)生。唯一的例外是造血干細(xì)胞移植（骨髓移植），自20世紀(jì)60年代以來一直在進(jìn)行造血干細(xì)胞移植，以支持白血病等血液疾病的治療，這是可以使用同種異體干細(xì)胞的罕見例子。

該過程比細(xì)胞療法更類似于完整的器官移植，因?yàn)樵诨颊吲f的造血系統(tǒng)被照射（殺死）后，整個(gè)造血系統(tǒng)被替換。在此過程中，通常會排斥同種異體移植物的白細(xì)胞也被殺死。

當(dāng)然，這種對“天然”組織的照射不能用于大腦等組織。值得注意的是，即使是高度匹配的造血干細(xì)胞 (HSC) 移植，即使經(jīng)過50多年的臨床改進(jìn)，這些手術(shù)的成功率也往往低于20%。相比之下， 自體 造血干細(xì)胞移植（來自臍帶血）沒有出現(xiàn)移植失敗。盡管如此，不幸的是，造血干細(xì)胞移植的這種部分例外引起了人們對其他供體干細(xì)胞避免排斥的能力的困惑。

例如，人們認(rèn)為，如果患者正在服用免疫抑制劑，或者如果特定類型的成體干細(xì)胞具有非常低的免疫特征（例如，與間充質(zhì)干細(xì)胞）。現(xiàn)實(shí)情況是，盡管這些策略允許供體干細(xì)胞在患者體內(nèi)存活一段時(shí)間而沒有被患者的免疫系統(tǒng)完全檢測到，但它們最終仍然被殺死。此外，任何免疫抑制療法都會給患者帶來嚴(yán)重的副作用。

隨著人們對直接細(xì)胞重編程的機(jī)制、其專業(yè)制造以及自體譜系限制干細(xì)胞的重要性有了更多的了解，這些獨(dú)特的多能干細(xì)胞有潛力推動再生醫(yī)學(xué)進(jìn)入世界各地的臨床，并補(bǔ)充小分子藥物、蛋白質(zhì)、寡核苷酸和醫(yī)療器械，屬于未來的醫(yī)療產(chǎn)品組合。對于患有一些最具挑戰(zhàn)性的疾病和損傷的患者以及整個(gè)社會來說，這是個(gè)好消息，因?yàn)槁圆∽o(hù)理管理的成本正在崩潰。

直接細(xì)胞重編程的未來

直接細(xì)胞重編程的未來是什么？最有可能的是，它將為某些類型的干細(xì)胞療法提供替代治療方法。

最好的例子是Fortuna Fixa臨床生物技術(shù)公司，該公司專門研究與帕金森病和脊髓損傷相關(guān)的細(xì)胞重編程。該公司已經(jīng)開發(fā)出了兩項(xiàng)卓越的技術(shù)：drNPC（一種自體直接重編程神經(jīng)細(xì)胞）和RMx?（一種再生基質(zhì)）。目前，F(xiàn)ortuna正在進(jìn)行帕金森病和脊髓損傷的臨床試驗(yàn)。

然而，他們并不是唯一一家準(zhǔn)備徹底改變該領(lǐng)域的公司。私營生物技術(shù)公司Mogrify及其新任首席執(zhí)行官 Darren M. Disley 博士已為新項(xiàng)目籌集了370萬美元的總資金。

根據(jù)該公司的一份聲明，Mogrify希望“確定轉(zhuǎn)錄因子（體外）或小分子（體內(nèi)）的最佳組合，將任何成熟細(xì)胞類型轉(zhuǎn)化為任何其他成熟細(xì)胞類型，而無需經(jīng)過多能性過程”干細(xì)胞，甚至祖細(xì)胞狀態(tài)?！?/p>

細(xì)胞重編程面臨的挑戰(zhàn)是巨大的，但在未來，帕金森氏癥患者可以用他們的細(xì)胞產(chǎn)生的神經(jīng)元來治愈，這是令人難以置信的。

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