诱导性多功能干细胞——产生，发展，应用及展望张博文，杨星九，李玖一，白末*摘要：在胚胎干细胞研究因伦理道德和免疫排斥问题而受阻的时候，诱导性多功能干细胞(induced pluripotent stem cell，以下简称iPS细胞)的横空出世为干细胞研究指明了一条新的方向。
近几年来iPS细胞研究取得了许多突破性的进展，其广泛的应用前景更向人们昭示着一个新的时代的到来。
本文主要从iPS细胞的发展历程入手，综述了iPS细胞的理论及应用研究的关键进展，并对之后的研究进行了展望。
关键词：诱导性多功能干细胞，胚胎干细胞，病毒，癌变，细胞治疗Abstract:When the embryonic stem cell research was blocked by ethical issues and immune rejection, induced pluripotent stem cell (hereinafter referred to as iPS cells), turned out for stem cell research indicated a new direction. iPS cells’ research in recent years has made many breakthroughs, prospects for its wide application to remind people of a new era. This article summarizes the theory and application of iPS cells, and the key to progress in the study, from the iPS cells to start the development process, and discussed the study in the future.Key words：induced pluripotent stem cell, embryonic stem cell, virus, Canceration, cell therapyIPS细胞是通过向体细胞中导入诱导基因，使体细胞重编程获得具有胚胎干细胞样特性的多能干细胞。
iPS细胞的产生可谓干细胞领域的新里程碑。
近几年，iPS细胞的研究突飞猛进，本文中结合最新的研究结果，综述了iPS细胞的产生背景、发展历程及其应用前景，并对今后iPS的研究发展进行了客观的展望。
1产生背景干细胞(stem cells, SC)是一类具有自我复制能力(self-renewing)的多潜能细胞，具有再生各种组织器官和人体的潜在功能，医学界称为“万用细胞”。
其中胚胎干细胞(Embrtibuc stem cell)更是具有全部的全能性，能够分化成人体内的所有细胞，具有非常广阔的应用前景。
早在上个世纪，人类就已经开始针对干细胞进行研究，试图通过各种不同的方法得到多能干细胞，其中突出的方法有胚胎干细胞（ES细胞）直接植入法；体细胞核转移-----------------------------------------*张博文，杨星九，李玖一：资料查阅与论文编写白末：资料查阅与论文整合法（即通常所说的克隆）；细胞杂交法，利用多能干细胞与体细胞融合的方法，但这些方法的广泛应用在技术、细胞来源、免疫排斥，尤其是伦理宗教和法律等方面存在诸多限制。
[24]。
于是，在2006年，一种新的方法诞生了，这便是诱导多能干细胞法，通过向体细胞中导入诱导基因，使体细胞直接重编程获得具有胚胎干细胞样特性的多能干细胞。
4种不同方法获得多能干细胞图（自Joanna Hanley）2 大事件表：3诱导性多能干细胞的应用新进展诱导性多能干细胞（iPS cells）与胚胎干细胞（ES）具有相似的多能性，且能够克服ES细胞在来源和伦理方面所遇到的巨大挑战，绕过了宗教、法律、伦理的禁区。
同时，由于iPS细胞可来自患者自身，能解决免疫排斥问题。
所以iPS细胞在组织工程学，再生医学，细胞替代治疗及药物研发方面有着广阔的应用前景。
3.1糖尿病治疗糖尿病是最为严重的现代病之一，全球有近三亿患者，中国有4320万，它严重危害着人类的健康，目前尚无根治办法。
不过，在2008年，日本Keisuke教授等人利用iPS 细胞诱导产生了能分泌胰岛素的细胞。
[31]这证明了iPS细胞有分化为胰岛β细胞的能力。
将这种细胞移植到患者体内，可能为Ⅰ型糖尿病的治疗提供了一种可能的途径。
3.2在心血管疾病治疗方面的应用Nelson和Almudena、Martinez将人皮肤成纤维细胞通过oct4 、sox2、klf4和c-Myc 四个基因诱导为iPS细胞并植入小鼠子宫，发现其可分化为心脏实质细胞。
将其嵌入重新构建的心脏、血管平滑肌和内皮组织后使心脏细胞收缩性恢复，电位稳定性增强。
[32]他们的研究证明了iPS细胞有想心脏分化的潜能。
因此iPS细胞可用于修复心肌梗塞对心脏造成的损伤。
而心血管疾病是全球致死人数最多的疾病。
该项研究为心血管疾病患者带来了一丝曙光。
3.3 治疗遗传病在治疗遗传病方面，iPS技术的诞生开辟了一条不同于以往基因疗法的道路。
例如，2007年，Hanna率先用iPS细胞治疗了小鼠的镰刀型红细胞贫血症。
他们将小鼠的成纤维细胞重编程为iPS细胞后，再用同源重组的方法用人野生型βa-珠蛋白基因代替βs-珠蛋白基因，最后诱导遗传修饰后的iPS细胞定向分化为造血祖细胞（HPS），并将其移植入模型雄鼠体内。
结果显示，HPS 可有效抑制镰刀性红细胞贫血症症状。
[33]用病毒介导得到的iPS细胞应用于临床治疗有一定的危险性，但若将iPS细胞诱导为无核的成熟红细胞，这自然去除了病毒DNA 带来的安全隐患。
3.4治疗视网膜病变目前已有研究机构提出有望利用iPS细胞治疗因感光细胞病变引起的视网膜变性疾病。
他们利用逆转录病毒感染DsRed／1鼠细胞，分别表达Sox2、Klf4、Oct4和c-Myc 4个基因。
经过dkk-1、noggin IGFI、bFGF和DAPT等物质的干预，使DsRed—iPS细胞分化成为视网膜的前驱细胞，并进行免疫印迹检测。
[34]结果表明，与普通老鼠的Es细胞相比，DsRed—iPS细胞表达了多能基因。
将其移植到经过免疫处理的视网膜变性的小鼠体性内，这些细胞形成了包含3个胚层组织的畸胎瘤，其中也有神经视网膜，在随后的一系列分化诱导后产生视网膜类型的细胞，大部分分化细胞均可形成视网膜先祖细胞(GF3P、GS) 和感光细胞(CRX)，且采用影像学手段检测时这些细胞均显示了正常视网膜细胞的生理特性。
3．5在改善脑神经方面的应用Wemig等将iPS细胞诱导分化为神经前体细胞和多巴胺能神经元。
在动物试验中，他们将GFp标记的iPS细胞注入胚胎小鼠的侧脑室，发现细胞可迁移至脑膜、纹状体、下丘脑、中脑等区域，分化成神经胶质细胞和神经元，并参与电生理活动，而在帕金森氏病小鼠模型中，iPS来源的多巴胺能神经元可显著改善小鼠的运动功能。
[35]3．6在修复耳蜗神经方面的应用Nishimura等采用移植方法，利用iPS细胞修复耳蜗神经元，他们采用离体试验检测了从iPS起源的细胞向耳蜗神经细胞发展的情况、生存率同时进行体内试验并检测。
[36]移植7 d后便可观察到形成神经元的基因开始表达。
说明iPS细胞可作为一种再生资源用来修复和移植受损的耳蜗神经。
3.7研究发病机制近10 年来研究干细胞的生物学家一直在寻找一种方法∶用患有难以研究的疾病的患者身上的细胞制造长期生存的细胞系（大多数成熟细胞在培养皿中不能成活，所以直接从患者身上提取用于研究的细胞无法成活）今年有两个研究小组实现了这个目标。
其中一组从一位82 岁的肌萎缩性脊髓侧索硬化症（一种退化性疾病，袭击运动神经元，造成逐渐瘫痪）女患者身上提取了皮肤细胞，然后制造出了细胞系。
科学家们然后引导iPS 细胞形成了两种最受这种疾病影响的细胞：神经元和神经胶质细胞。
仅一周后，另一组报告说他们为10 种疾病的患者量身培养了iPS细胞系，包括肌肉萎缩症、I 型糖尿病、唐氏综合症等。
这10 种病中很多都很难甚至不可能用动物模型进行研究，而诱导性多能干细胞为科学家们研究疾病的分子基础提供了新工具。
这些细胞也许还将对候选药物的筛选有所帮助，最终这些技术也许可以让科学家们在培养皿中修正基因缺陷，然后用修复了的自身细胞为患者治疗。
[37]4.展望在过去四年里iPS细胞的研究取得了一个有一个振奋人心的突破，人们对它在解决疑难杂症方面的前景抱着美好的希望。
然而，iPS技术并不像人们想象的那样完美。
目前，iPS技术的发展似乎遭遇了瓶颈，实验室内的研究成果没有一项能应用到临床上去。
种种困难限制着iPS技术进一步发展。
第一，诱导体细胞重编程的分子机制至今仍不清楚，人们只知道会这样而不知道为什么会这样。
第二，iPS细胞的制备效率很低，一般只有0.05%，因此，在应用上很困难。
第三，iPS细胞存在极大的风险，由于载体使用的一般是逆转录病毒和慢病毒，而且oct、c-Myc、klf4、sox2基因都可认为是原癌基因，所以iPS细胞有极大的致癌性，有人甚至悲观的说iPS细胞是一种人造肿瘤细胞。
[38]要想使iPS细胞真正应用到临床上去，就必须解决上述以至于更多的问题。
目前，研究者们正在孜孜不倦地努力着。
比如，美裔华人科学家丁盛博士找出了用蛋白质诱导的方法，在一定程度上解决了致癌性的问题。
[39]今年7月，巴西科学家用两个匿名基因替代了在致癌方面起关键作用的c-Myc、klf4基因，向iPS细胞的应用又迈出了一步。
总之iPS技术依然任重道远，科学家还要付出巨大的努力。
但是，一旦iPS技术成熟，他必将给世界带来福音。
参考文献：［1］Takahashi K, Yamanaka S. Induction of pluripotent stem cells from mouse embryonic and adult fibroblast cultures by defined factors. Cell, 2006, 126(4):663-676.［2］Takahashi K, Tanabe K, Ohnuki M, et al. Induction of pluripotent stem cells from adult human fibroblasts by defined factors. Cell, 2007, 131(5):861-872.［3］derived from human somatic cells. Science, 2007, 318(5858):1917-1920.［4］Nakagawa M, Koyanagi M, Tanabe K, et al. Generation of induced pluripotent stem cells without Myc from mouse and human fibroblasts. Nat Biotech, 2008, 26(1): 101～106[5] Wernig M, Meissner A, Cassady J P, et al. c-Myc is dispensable for directreprogramming of mouse fibroblasts. Cell Stem Cell, 2008, 2(1): 10～12[6] 付朝江，崔明. Pokemon，c—myc与乳腺肿瘤.现代肿瘤医学,2009,17(10) 1993-1995［7］Hanna J, Wernig M, Markoulaki S, et al. Treatment of sickle cell anemia mouse model with iPS cells generated fromautologous skin. Science, 2007, 318(5858): 1920～1923［8］申红芬，姚志芳，肖高芳，贾俊双，肖东，姚开泰. 诱导性多潜能干细胞(iPS cells) ———现状及前景展望. 生物化学与生物物理进展，2009，36(8):950~960[9] Mikkelsen T S, Hanna J, Zhang X, et al. Dissecting direct reprogramming through integrative genomic analysis. Nature, 2008, 454(7200): 49～55[10] Huangfu D, Maehr R, Guo W, et al. Induction of pluripotent stem cells by defined factors is greatly improved by small-molecule compounds. Nat Biotech, 2008, 26(7): 795～797[11] Huangfu D, Osafune K, Maehr R, et al. Induction of pluripotent stem cells from primary human fibroblasts with only Oct4 and Sox2. Nat Biotech, 2008, 26(11): 1269～1275[12] Stadtfeld M, Nagaya M, Utikal J, et al. Induced pluripotent stem cells generated without viral integration. Science, 2008, 322(5903): 945～949[13] Okita K, Nakagawa M, Hyenjong H, et al. Generation of mouse induced pluripotent stem cells without viral vectors. Science, 2008, 322(5903): 949～953[14] Zhan Yang，Yin Xiaolei，Qin Han，et a1．Two supporting factors greatly improve the efficiency of human iPSC generation[J]．Cell Stem Cell，2008，(3)：475—479[15] Liu H, Zhu F, Yong J, et al. Generation of induced pluripotent stem cells from adult rhesus monkey fibroblasts. Cell Stem Cell, 2008, 3(6): 587～590[16] Xu D, Alipio Z, Fink L M, et al. Phenotypic correction of murine hemophilia A using an iPS cell-based therapy. Proc Natl Acad Sci USA, 2009, 106(3): 808～813[17] Kaji K, Norrby K, Paca A, et al. Virus-free induction of pluripotency and subsequent excision of reprogramming factors. Nature, 2009, 458(7239): 771～775[18 ] Woltjen K, Michael I P, Mohseni P, et al. piggyBac transposition reprograms fibroblasts to induced pluripotent stem cells. Nature, 2009, 458(7239): 766～770[19 ] Soldner F, Hockemeyer D, Beard C, et al. Parkinson’s disease patient-derivedinduced pluripotent stem cells free of viral reprogramming factors. Cell, 2009, 136(5): 964～977[20] Junying Yu et al. Human Induced Pluripotent Stem Cells Free of Vector and Transgene Sequences. Science, 2009,324 (5928): 797-801[21] 周琪，曾凡一. 通过四倍体补偿实验证明iPS细胞具有发育全能性. 中国基础科学，2010，12（3）：20[22] Lan Kang et al. IPS Cells Can Support Full-Term Development of Tetraploid Blastocyst-Complemented Embryos. Cell, stem cell,2009,5(2):135-138[23] 《实验室研究与探索》编辑部. 世界上首次用iPS细胞育出活小鼠. 实验室研究与探索，2009，28（9）：i[24] Hanley, J; Rastegarlari, G; Nathwani, AC. An introduction to induced pluripotent stem cells. BRITISH JOURNAL OF HAEMATOLOGY，2010，151（1）：16-24[31]KEISUKE TATEISHI，J1N HE，0LENA TARANOVA，et a1．Generation of Insulin—secreting Islet—like Clusters from Human Skin Fibroblasts[J]．Biol Chem，2008，283：31601-31607．[32]NELSON T J．PHD M D,ALMUDENA MARTINFZ,et a1．Repair of acute myocardial infarction by human stemness factors induced pluripotent stemcells[J] ．Circulation,2009，120：408—416．[33]HANNA J. WERNlG M.MARK0ULAKI S.et a1．Treatment of sickle cell anemia mouse model with iPS cells generated from autologous skin[J]．Science，2007，318：1920一1923.[34]TUCKER B A.RFDENTI S，PARK I H. et a1．Generation of Hetinal Precursors From Murine iPS cells[J]．Invest Ophthalmol Vis Sci,2009，50：5149[35]WERNIG M．ZHAO J P.PRUSZK J.et a1．Neurons derived from reprogrammed fibroblasts functionally integrate into the fetal Brain and improve symptom of rat with Pakinson’s disease [J]Proc Natl Acad SCI，USA，2008.105:5856—5861[36]NISHIMURA K.NAKAGAWA T.0NE K.et a1．Transplantation of mouse induced pluripotent stem cells into the cochlea[J]．Neuroreport，2009，20(14)：1250—1254．[37] 习佳飞.李艳华.裴雪涛.诱导性多能干细胞研究及应用-自然科学进展2009,19(8):3478-3483[38] 姚理坤.王保宁. 孟延发. iPS 细胞：一种肿瘤细胞现代生物医学进展Progress in Modern Biomedicine Vol.10 NO.14 JUL.2010:2756-2759[39]LIN T X.AMBASUDHAN RAJESH.DING S.el a1．A chemical platform for improved induction of human iPSCs[J]．Nature Methods，2009，6：805—808．。