誘導性多能干細胞最新研究進展

　　誘導性多能干細胞（iPS細胞）最初是日本科學家山中伸彌（Shinya Yamanaka）團隊在2006年利用病毒載體將四個轉錄因子（Oct4, Sox2, Klf4 和c-Myc）的組合轉入到小鼠胚胎或皮膚纖維母細胞中，使其重編程而得到的類似胚胎干細胞的一種細胞類型。這些ips細胞在形態、基因和蛋白表達、表觀遺傳修飾狀態、細胞倍增能力、類胚體和畸形瘤生成能力、分化能力等都與胚胎干細胞極為相似。

　　2007年11月，由中國科學家俞君英領銜的Thompson實驗室和山中伸彌實驗室幾乎同時報道，成功地誘導人皮膚纖維母細胞成為幾乎與胚胎干細胞完全一樣的ips細胞，所不同的是日本實驗室依然采用了用逆轉錄病毒引入Oct3/4、Sox2、c-Myc和Klf4四種因子組合，而Thompson實驗室采用了以慢病毒載體引入Oct4、Sox2加Nanog和LIN28這種因子組合。

　　相比于胚胎干細胞，iPS細胞不會產生倫理問題，而且利用宿主自身的成體細胞（如皮膚細胞、血細胞等）經重編程變成iPS細胞，將它們移植回相同個體，應該有可能不會引發免疫反應，此外iPS細胞非常適合用來構建疾病模型，不過將iPS細胞用于治療時也有風險：讓ips細胞移植到體內時有可能會產生腫瘤。值得注意的是，近年來，日本科學家在人體中開展了基于ips細胞的臨床試驗來治療疾病，取得了一定的成功。

　　基于此，小編針對近年來ips細胞研究取得的進展，小編進行一番梳理，以饗讀者。

　　1.PNAS：將人誘導性多能干細胞轉化為產生睪酮的睪丸間質細胞

　　doi:10.1073/pnas.1908207116

　　在一項新的研究中，來自美國南加州大學和加拿大麥吉爾大學的研究人員在實驗室中成功地制造出人體中產生睪酮的細胞，這就為有朝一日利用個性化的替代細胞治療低睪酮患者鋪平了道路。相關研究結果于2019年10月7日在線發表在PNAS期刊上，論文標題為“Directing differentiation of human induced pluripotent stem cells toward androgen-producing Leydig cells rather than adrenal cells”。在這篇論文中，他們描述了他們如何將干細胞轉化為功能性睪丸間質細胞（Leydig cell）---睪丸中產生男性性激素的細胞。

睪丸間質細胞的高放大倍數顯微圖，圖片來自Nephron/Wikipedia。

　　具體而言，Papadopoulos及其團隊使用了稱為人誘導性多能干細胞（hipsC）的干細胞，它們是通過對來自人體血液或皮膚的細胞進行重編程而產生的，可以分化為治療時所需的任何類型的細胞。憑著直覺，Papadopoulos在細胞培養液中添加人膠原蛋白，并且添加將hipsC轉化為睪丸間質細胞所需的基因和其他營養成分。膠原蛋白是一種常見的生長基質成分。以前，Papadopoulos使用的是牛膠原蛋白或大鼠膠原蛋白，它們更便宜，而且至少在早期實驗中可以與其他形式的膠原蛋白互換。這次，實驗室制造出的睪丸間質細胞產生了睪酮，而且這些細胞在顯微鏡下甚至看起來與天然存在的睪丸間質細胞相同。

　　2.Biochem Pharmacol：發現促進心臟細胞成熟的新方法

　　doi:10.1016/j.bcp.2019.08.010

　　來自Masonic醫學研究所(MMRI)的科學家與Nanion Technologies合作，最近在《生化藥理學》（Biochemical Pharmacology）上發表了一項研究，解決了鉀(K+)電流在人誘導多能干細胞衍生心肌細胞(hipsC-CMs)中缺陷的問題。

　　在本研究中，MMRI科學家確定了hipsC-CMs通過兩種不同類型的K+通道的激活劑--瞬時向外K+電流(Ito)和快速延遲整流K+電流(IKr)--刺激是否可以改善復極化儲備，產生功能更成熟的心臟細胞。

　　這些實驗集中在電生理學領域，即研究生物細胞和組織的電特性。結果表明，在hiPSC-CMs中，激活物僅能增強IKr電流，而不能增強Ito電流。盡管如此，IKr增強單獨改善hiPSC-CMs的復極化儲備，更充分地分化心臟細胞。此外，他們的研究還偶然發現在hipsC-CMs中只有一個K+通道是由雙激活劑誘導的；在成熟的心臟細胞中，同一激活因子可同時激活兩個通道。這些數據表明，hipsC-CMs與成熟的成年心臟細胞之間的藥理作用的結論需要進行審查。

　　3.Nature：全球首例！一名日本婦女成功接受由重編程干細胞制成的角膜進行的移植手術！

　　doi:10.1038/d41586-019-02597-2

　　近日，一名四十多歲的日本女性成為了世界上首個使用重編程干細胞修復角膜的人，在8月29號的新聞發布會上，來自日本大阪大學的眼科專家Kohji Nishida表示，這名女性眼睛中修復角膜的干細胞發生了丟失，角膜是覆蓋并保護眼睛的一層透明層結構，這種狀況會使她視力模糊并可能導致失明。

　　為了對這名女性進行治療，研究者表示，他們的團隊利用誘導多能干細胞（ips）制造出了角膜細胞片，通過將來自供體的皮膚細胞重編程為胚胎樣狀態，隨后細胞就能夠轉化稱為其它類型的細胞，比如角膜細胞等。研究者Nishida說道，自從一個月前接受移植手術以來，這名女性眼睛中的角膜依然清晰，而且視力也有所改善。

　　目前，患有受損或病變眼角膜的患者通常會使用去世捐贈者的眼角膜組織來進行治療，但在日本，需要諸如眼角膜等組織進行移植的患者排隊的名單很長，而且等待時間很久。如今，日本批準iPS細胞在臨床應用方面走在世界前列，此前，來自日本京都大學的干細胞學家Shinya Yamanaka因干細胞研究而獲得諾貝爾獎，日本的醫生還使用ips細胞來治療脊髓損傷、帕金森疾病和另外一種眼部疾病的患者。

　　4.ACS Nano：新型納米技術平臺有望加速干細胞移植領域研究

　　doi:10.1021/acsnano.9b01875

　　近日，一項刊登在國際雜志ACS Nano上的研究報告中，來自羅格斯大學的科學家們通過研究開發了一種新型納米技術，其或能增強對干細胞移植的研究，有望幫助改善多種疾病人群的治療，包括阿爾茲海默病、帕金森疾病、其它神經變性疾病和中樞神經型損傷等。

圖片來源： Jin-Ho Lee/Rutgers University-New Brunswick。

　　研究者開發的這種新型納米技術平臺利用特殊的小棒結構來進行感應，其能幫助研究者證實人類干細胞的身份以及相應的生物標志物，同時并不會破壞這些干細胞；這是干細胞臨床研究中研究人員所要面對的問題，因為其限制了后期進一步的分析和生物醫學應用。研究者KiBum Lee教授說道，當前基于干細胞療法所面臨的一個主要障礙就是標準細胞表征步驟的破壞性，基于新開發的納米技術，我們就能夠在不損害細胞活力的前體下，靈敏而準確地對細胞進行特征表征。

　　利用這種新型納米技術平臺，研究人員就能通過對細胞所釋放的名為外泌體微小顆粒的新一代生物標志物進行特征表征，來監測人類干細胞衍生的神經元細胞的水平，外泌體在細胞間的信號傳輸上扮演著非常關鍵的角色，后期研究人員還將繼續深入研究調查這種新型納米技術在其它應用中的多樣性，比如在臨床環境中檢測神經元細胞。

　　5.Circulation：科學家有望利用干細胞衍生的心肌細胞來修復受損的心臟！

　　doi:10.1161/CIRCULATIONAHA.119.040881

　　近日，一項刊登在國際雜志Circulation上的研究報告中，來自阿拉巴馬大學伯明翰分校的科學家們通過研究開發了一種新方法，其或能利用干細胞衍生的心肌細胞來改善心臟病的修復；心臟病發作后會引發部分肌肉壁死亡，從而就會使心臟無法再生，死亡的組織會壓迫周圍的肌肉導致患者出現致命性的心臟擴張。

　　這項研究中，研究人員開發了一種新方法來改善所移植細胞的質量，他們表示，在心臟病小鼠模型中進行試驗后發現，注射的干細胞衍生的心肌細胞的移植率提高了一倍，這種新方法能夠在異質群體中選擇功能完整且DNA完整的細胞，從而使其能夠適應臨床狀況，更好地重建缺血的心肌組織并改善衰竭心臟的功能表現。心臟細胞的移植需要數百萬的干細胞或其衍生細胞，在加速狀況下的細胞繁殖是獲取大量細胞的常用手段，但加速生長也會造成培養的壓力，包括致死性的DNA損傷，這些DNA損傷的細胞或許無法適用于細胞移植。

　　研究者表示，他們能夠激活誘導多能干細胞中的轉錄因子p53從而選擇性地誘導程序性細胞死亡（細胞凋亡）發生，尤其是DNA損傷的細胞，同時還會保留DNA未發生損傷的細胞；研究者利用MDM2抑制劑（Nutlin-3a）能夠激活p53的表達，當進行Nutlin-3a療法后，死亡的細胞就會從培養液中被洗掉，剩下的DNA未受到損傷的細胞則會正常生長并分化為心肌細胞；隨后研究者將90萬個衍生的心肌細胞注射到了心臟病小鼠模型心臟左心室的邊界區域，四周后，研究者發現，接受DNA未發生損傷的心肌細胞的心臟中植入率發生了明顯提高（大約14%），而對照衍生的心肌細胞的植入率則約為7%。

　　6.Cell Metab：首次在實驗室中培育出轉基因迷你肝臟組織 有望幫助研究肝臟疾病及開發新型療法

　　doi:10.1016/j.cmet.2019.06.017

　　近日，一項刊登在國際雜志Cell Metabolism上的研究報告中，來自匹茲堡大學的科學家們通過研究在實驗室中首次培育出了轉基因（遺傳修飾，genetically modified）的微型人類肝臟，其或有望幫助模擬人類肝臟疾病的進展及新型療法的開發。

　　文章中，研究者闡明了他們如何將遺傳工程化的人類細胞轉化稱為功能性的3D肝臟組織，這些肝臟組織能夠模擬費酒精性脂肪肝（NAFLD，non-alcoholic fatty liver disease），非酒精性脂肪肝是一種脂肪堆積的肝臟疾病，其常常會引發肝硬化甚至肝臟功能衰竭等，如今隨著美國人群肥胖率不斷上升，非酒精性脂肪肝已經成為了引發慢性肝臟疾病的主要原因。

　　醫學博士Alejandro Soto-Gutierrez說道，這項研究中，我們在實驗室中首次利用干細胞制造出了遺傳工程化的人類模擬肝臟組織（疾病狀態），這非常重要，因為其不僅能幫助我們理解誘發肝臟疾病及肝臟疾病進展的機制，同時還能幫助開發新型治療手段，目前開發的很多藥物盡管在小鼠身上有很少的療效，但在臨床試驗中常常是無效或者失敗的；比如，藥物白藜蘆醇，其就能在小鼠模型中發揮有效作用，然而在人類臨床試驗中卻并無效果，白藜蘆醇能夠對與非酒精性脂肪肝相關的SIRT1蛋白發揮作用。

　　研究者表示，小鼠并非人類，我們一出生就攜帶有特定的突變，即多態性（polymorphisms），其會促使我們易患某些疾病，但我們卻并未在小鼠機體中研究過這種多態性，因此制造出一種迷你個性化的人類肝臟或許是非常有用的。這項研究中，研究人員首先對正常的人類皮膚細胞進行遺傳工程化修飾使其能夠表達一種化學活性開關，從而降低SIRT1基因的表達，隨后研究者將這些細胞重編程使其回歸到干細胞狀態，并將其轉化為肝細胞；一切就緒之后，研究者將遺傳工程化所得到的人類肝臟細胞植入到小鼠的肝臟中，在小鼠肝臟中，這些細胞就能夠發育成為具有正常血管和其它結構特征的功能性3-D模擬肝臟。

　　7.Circulation：深入揭示CPVT遺傳性心律失常的致病機制

　　doi:10.1161/CIRCULATIONAHA.119.039711

　　在一項新的研究中，來自美國波士頓兒童醫院的研究人員報道了首個遺傳性心律失常的人體組織模型，在培養皿中再現了兩名患者的心律失常。這就為開發治療心律異常的方法奠定了基礎。相關研究結果于2019年7月17日在線發表在Circulation期刊上，論文標題為“Insights into the Pathogenesis of Catecholaminergic Polymorphic Ventricular Tachycardia from Engineered Human Heart Tissue”。

圖片來自Sung Jin Park and Donghui Zhang from the Kevin Kit Parker and William T. Pu Laboratories, Boston Children's Hospital and Harvard SEAS。

　　通過與波士頓兒童醫院的Dominic Abrams博士領導的遺傳性心律失常項目合作，這些研究人員從波士頓兒童醫院的兩名患者那里獲得了血液樣本。這兩名患者因基因RYR2發生的不同突變而患上CPVT，此外，大多數CPVT病例與這個基因相關。RYR2基因編碼的一種通道蛋白能夠讓細胞釋放鈣離子，這是引發心臟收縮的第一步。

　　這些研究人員隨后將患者的血細胞重編程為誘導性多能干細胞（iPS細胞），ips細胞幾乎可以產生所有的細胞類型。由此，他們產生攜帶CPVT突變的心肌細胞，并用它們構建心肌組織模型。

　　通過使用所謂的光遺傳學系統，這些研究人員隨后將藍光施加于這種組織模型的一端以激活這些心肌細胞。這產生了一種沿著這種細胞片（即前面提及的心肌組織模型）移動的沖動，從而產生收縮。通過使用這種系統，他們構建出“培養皿中的運動測試（exercise test in a dish）”。為了模擬運動，他們添加了藥物異丙腎上腺素（類似于稱為腎上腺素的應激激素）并施加紅外線來啟動更快的心跳。這項測試有助于揭示CPVT的內在致病機理。當健康的心臟組織進行運動測試時，鈣離子以均勻波（even wave）穿過這種組織。但是在利用CPVT患者的ips細胞制造出的組織模型中，鈣離子波以不同的速度移動，并且在這種組織模型的某些部分根本不移動，從而導致稱為折返性（re-entry）的異常圓周運動---就像在現實生活中發生的那樣。

　　8.Cell Metab: 科學家們通過構建工程化肝臟找到治療肝病的新方法

　　doi:10.1016/j.cmet.2019.05.007

　　科學家成功地構建出生物工程化人類肝臟類器官，能夠準確地模擬致命肝臟疾病的關鍵特征。這使他們能夠發現潛在的疾病生物學機制，并開發相應的療法。

　　Cell Metabolism在線發表的研究結果中，辛辛那提兒童醫院醫學中心的研究人員表示，他們的研究克服了解決肝臟疾病的分子奧秘和尋找迫切需要的新療法的主要障礙。研究作者表示，它還可以通過個性化方法研究肝病中的炎癥和纖維化，這些方法與個體患者的獨特遺傳學和生物學相匹配。

　　“盡管目前的人體器官系統可以在像小鼠這樣的活體實驗室生物體中重建器官結構，但它們無法捕捉到肝臟疾病中炎癥和纖維化的復雜病癥，”作者Takanori Takebe說道。

　　“我們利用源自健康人類供體和肝臟疾病的多能干細胞，開發了一種可重復生物工程復合多細胞人肝臟類器官的方法。這些類器官產生不同類型的肝細胞，如肝細胞，星狀細胞和Kupffer樣細胞，它們準確地在實驗室中重現炎癥，纖維化和肝病的其他特征。”

　　9.Stem Cells：新技術或能利用幾毫升血液制造大量干細胞 有望開發出心血管疾病潛在療法

　　doi:10.1002/stem.2936

　　近日，一項刊登在國際雜志Stem Cells上的研究報告中，來自貝爾法斯特女王大學的科學家們通過研究有望開發出治療血管和糖尿病相關的心血管疾病的新型療法。文章中，研究人員開發了一種新技術，其能利用少量血液樣本在短時間內產生大量干細胞，隨后這些干細胞能夠替代血管內損傷的細胞，這種療法有望抑制糖尿病患者多種血管相關的并發癥，包括心臟病發作、腎臟疾病和失明等。

　　研究者Andriana Margariti表示，能在短時間內利用幾毫升血液產生大量干細胞，這或許是一項真正的開創性成就，有望徹底改變我們治療大量血管疾病的方式或模式；此前進行細胞轉化過程往往會涉及皮膚的活組織檢查或需要大量血液，這對于許多患者而言根本不可行，因為對于患者風險很大且需要很長的恢復時間。

　　本文研究中，研究人員重點對治療血管疾病的干細胞進行研究，他們還能利用同樣的過程來產生用于分化成多種器官的干細胞，包括大腦和腎臟等。研究者發現，激活干細胞中一種名為內皮特異性分子1（ESM1，Endothelial Specific Molecule 1)的特殊基因或能增強新生內皮細胞的產生和功能，這種新生的內皮細胞在多種血管疾病發生過程中扮演著關鍵角色。

　　10.Nature：世界上首個三類器官系統為醫學研究和診斷打開了大門

　　doi:10.1038/s41586-019-1598-0

　　在一項新的研究中，來自美國辛辛那提兒童醫學中心和日本東京醫科牙科大學的研究人員報道肝臟、膽管和胰腺結構的連續模式和動態形態發生，這些結構是由人多能性干細胞的三維培養物內陷形成的。由人多能性干細胞分化而來的前腸球狀體和后腸球狀體之間的邊界相互作用使得肝臟-膽管-胰腺結構在沒有外來因素的情形下在前腸-中腸邊界的類器官上發生特化而形成，這種形成依賴于視黃酸。相關研究結果發表在2019年10月3日的Nature期刊上，論文標題為“Modelling human hepato-biliary-pancreatic organogenesis from the foregut–midgut boundary”。

圖片來自Cincinnati Children's。

　　盡管移植物衍生的組織以中腸衍生物為主，但是顯微切割的肝臟-膽管-胰腺類器官在長期體外培養時發育成分離的多器官原基（multi-organ anlages），這隨后就概述了早期形態發生事件，包括三個不同且相互連接的器官結構的內陷和分支，這讓人想起由小鼠外植前腸-中腸培養物衍生的組織。正如在體內觀察到的那樣，由HES1基因突變引起的多器官結構的錯誤分離會破壞體外培養物的膽管特化潛力。

　　總而言之，這些研究人員證實通過前腸組織和中腸組織的并置可以建立一種實驗性多器官整合模型，這潛在地為研究復雜的人類內胚層器官發生提供一種易處理、可操作且易于獲得的模型。