诱导多能干细胞的应用前景优于胚胎干细胞（诱导多能干细胞与胚胎干细胞相比的优势在于）

干细胞胚胎 2023年03月10日 04:22 im

在这篇文章中，我们将介绍一些例子，帮助你更好地理解诱导多能干细胞的应用前景优于胚胎干细胞和诱导多能干细胞与胚胎干细胞相比的优势在于之间的关系。

CRISPR-Cas9基因编辑iPSC细胞

诱导多能干细胞（iPS细胞），是一种从成年（成熟）细胞生成的未成熟细胞，已经恢复了分化为体内任何类型细胞的能力。诱导的多能干细胞（iPS细胞）不同于胚胎干细胞（ES细胞），后者形成胚胎的内部细胞团，但也是多能的和原代细胞类似，最终导致构成人体的所有细胞类型。诱导多能细胞最早是在2006年由日本医师和研究员Shinya Yamanaka及其同事描述的。最初的实验是通过使用小鼠细胞进行的。然而，第二年，Yamanaka成功地从人成年成纤维细胞中获得了iPS细胞。在此之前，只能从早期人类胚胎中分离出人类干细胞。因此，iPS细胞的一个重要特征是它们的产生不需要胚胎，而胚胎的使用充满了伦理问题。

血友病A是由F8基因突变引起的X连锁遗传病，该基因编码凝血因子VIII。在所有严重的血友病A病例中，几乎有一半的病例是由两个总的（140 kbp或600 kbp）染色体倒置导致的，分别涉及F8基因的内含子1和22。研究人员从具有这些反转基因型的患者中衍生出诱导多能干细胞（iPSC），并使用CRISPR-Cas9核酸酶将这些染色体片段恢复为WT状态。研究人员基于全基因组测序或靶向深度测序，分离了频率高达6.7％的经反向校正的iPSC，而没有可检测到的脱靶突变。在其他致命的血友病小鼠模型中，从校正的iPSC分化出来的内皮细胞表达F8基因并在功能上拯救了VIII因子缺乏症。因此，结果为患者来源的iPSC中大染色体重排的功能校正提供了原理证明，并提出了潜在的治疗应用。

患者来源的诱导性多能干细胞（iPSC）对于自体细胞替代具有广阔的前景。但是，对于许多遗传性疾病，治疗可能需要在移植前进行基因修复。基因编辑技术对该应用程序很有用。这项研究的目的是开发CRISPR-Cas9介导的基因组编辑策略，以靶向和纠正患者衍生的iPSC中三种最常见的致病变体类型：（1）外显子，（2）深度内含子（3)主导功能。研究人员开发了针对雄性生殖细胞相关激酶（MAK）外显子9的纯合Alu插入的同源性定向修复策略，并证明了患者细胞中视网膜转录本和蛋白质的还原。研究人员产生了一种CRISPR-Cas9介导的非同源末端连接（NHEJ）方法，以切除导致Leber先天性黑病的主要因素，CEP290中的IVS26隐剪突变，并证明了患者iPSC中转录本和蛋白质的校正。最后，研究人员设计了等位基因特异性CRISPR向导，可选择性地靶向Pro23His视紫红质（RHO）突变体等位基因，在将其分别递送至患者iPSC和体内视网膜后，产生了移码和过早的终止，可阻止该疾病的转录-导致变体。在这项研究中开发的策略将被证明对纠正导致的遗传性视网膜变性基因中的多种遗传变异有用。

诱导多能干细胞（iPSC）在再生医学应用中具有巨大潜力。然而，由HLA失配引起的免疫排斥是一个问题。 B2M基因敲除和HLA纯合iPSC群体可以解决此问题，但是前一种方法可能诱导NK细胞活性并且不能呈递抗原，而为后一种方法招募稀少的体则是一个挑战。研究人员展示了两种用于制备免疫相容性供体iPSC的基因组编辑策略。首先，研究人员通过对HLA杂合iPSC进行等位基因特异编辑，生成了HLA伪纯合iPSC。其次，研究人员破坏了HLA-A和-B等位的基因，以抑制NK细胞反应，同时保持抗原呈递，从而创建了具有HLA-C保留能力的iPSC。 HLA-C保留的IPSC可以在体内和体外逃逸T细胞和NK细胞。研究人员估计，结合HLA II类基因敲除的12种HLA-C保留的iPSC在免疫学上与世界90％以上的人口相容，极大地促进了基于iPSC的再生医学的应用。

Reference

Park C Y, Kim D H, Son J S, et al. Functional Correction of Large Factor VIII Gene Chromosomal Inversions in Hemophilia A Patient-Derived iPSCs Using CRISPR-Cas9[J]. Cell Stem Cell, 2015, 17(2): 213-220.

Burnight E R, Gupta M, Wiley L A, et al. Using CRISPR-Cas9 to Generate Gene-Corrected Autologous iPSCs for the Treatment of Inherited Retinal Degeneration[J]. Molecular Therapy, 2017, 25(9): 1999-2013.

Xu H, Wang B, Ono M, et al. Targeted Disruption of HLA Genes via CRISPR-Cas9 Generates iPSCs with Enhanced Immune Compatibility[J]. Cell Stem Cell, 2019, 24(4).

诱导性多功能干细胞可以应用在哪些方面

诱导性多功能干细胞(Induced pluripotent stem cells)，为利用导入特定基因或是特定基因产物(蛋白质)等方式送入体细胞(如:皮肤细胞或是肝脏细胞)中，使该体细胞变成为具备如同胚胎干细胞(ES细胞)般，具有分化成各式细胞之多功能分化能力，并且可以持续增生分裂。

除了再生医学之应用之外，利用患者本身之细胞所形成之iPS细胞，将其做特定细胞诱导分化后，可以成为良好之人类细胞研究材料，解决以往人类组织细胞索取上之困难点，也可以成为研究致病机转之良好研究材料。另外，由于由患者本身体细胞得来，可以获得具有"个别性"、"专一性"之细胞材料，可以针对药剂或是成为毒性评估的最佳平台。一方面也提供为转译医学之最佳测试材料。

因此，iPS细胞的制作与发现，也成为医学、药学或是食品等之安全实验平台。此外，当技术成熟后，例如男性细胞也可以制作出卵子，甚至老化细胞的重生，也不再是不可能的梦想。

诱导多能干细胞是什么？

诱导多能干细胞是对成熟细胞重编程得到的，像胚胎干细胞一样具备分化成多种细胞的潜力，可用于修复受损的组织和器官。CRISPR基因编辑技术能精确查找一串代码在基因组中的位置，进行删除或修改。

每个细胞都拥有生物的全套基因组，其具体身份和功能取决于哪些基因处于工作状态。比如，在皮肤细胞里，与皮肤功能相关的基因打开，其他基因关闭。要把它变成干细胞，就要关闭皮肤相关基因，打开与干细胞功能相关的基因。

2006年，格莱斯顿高级研究员山中伸弥博士用4种被称为转录因子的关键蛋白处理普通的皮肤细胞，制造出了诱导多能干细胞。这些转录因子可改变各基因的工作状态。在上述研究的基础上，格莱斯顿高级研究员丁盛（音译）团队不使用转录因子，而是通过向细胞添加化学品混合物，制造出了诱导多能干细胞。

在最新研究中，丁盛团队又提供了制造诱导多能干细胞的第三种方法——使用CRISPR基因调控技术，直接操纵细胞的基因组。他们选取了两个只在干细胞中表达、且对多能特性至关重要的基因Oct4和Sox2，这两个基因能打开与干细胞功能相关的其他基因，并关闭无关基因。实验表明，用CRISPR激活两个基因中的任意一个，都能触发细胞重编程，使其变身为诱导多能干细胞，而激活操作只需对基因代码进行一处修改。

日本研究人员发现什么新技术？

日本研究人员最新发明了一种利用人类诱导多能干细胞大批量培养心肌细胞的技术。这种人工诱导的心肌细胞可以像“创可贴”一样，帮助修复受损心脏，未来有望用于心脏疾病治疗。

诱导多能干细胞是通过对成熟体细胞“重新编程”培育出的干细胞，拥有与胚胎干细胞相似的分化潜力。日本庆应大学日前宣布，该校研究人员改进实验方法，把长宽分别约30厘米和20厘米的诱导多能干细胞培养皿叠加成10层，形成特制的多层培养装置，并发明一种通气系统，均匀地向其中输送氧气和二氧化碳，成功地一次性培养出约10亿个心肌细胞。

心肌梗死等心脏疾病发作时，可能导致心脏丧失数以亿计的心肌细胞，而人类心肌细胞并没有再生能力。诱导多能干细胞和胚胎干细胞具有分化成身体多种细胞的功能，医学界正尝试将人工诱导的心肌细胞作为“创可贴”，替补死掉的心肌细胞，修复受损心脏。不过，此前一直缺少大量培养高安全性心肌细胞的技术。

这样心脏就不用手术搭桥了。

组织工程和再生医学应用于临床前需要考虑哪些优缺点

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以组织工程（tissue engineering）为基础的再生医学（regenerative medicine）发展情况及应用前景如何？

谢谢

@袁霖

邀请！要充分地回答这个问题需要写个综述了，显然这不是你们想看到的。所以，答主就自己的了解做出一些概括性的解释和讨论。

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首先，还是先讲一下两个重要的概念：组织工程(Tissue Engineering) 和再生医学(Regenerative Medicine)

组织工程（Tissue Engineering）是一个多学科交叉的研究领域，它充分应用工程科学，生物科学，基础医学的原理，开发制造出具有生物活性的组织或器官替代物，用于保持，替代，修复，甚至于加强病变组织器官的功能。这个概念是由 Robert Langer (麻省理工学院)和 Joseph Vacanti （麻省总医院）于八十年代末，九十年代初提出，并在 Science上发表研究论文阐述这个概念和基本原理。

再生医学（Regenerative Medicine）是一个更广的定义，它包括组织工程（Tissue Engineering），但同时还包括身体组织系统的自身修复（Self-healing）. 组织工程（Tissue Engineering）和再生医学（Regenerative Medicine）目前被大范围的混用，主要是因为目前来看组织工程的最终目标就是替代或加强组织的自身修复，用以治愈复杂的慢性疾病。

（Tissue engineered human ear, credit: Harvard University）

经过二十多年的发展，组织工程无论在基础研究，临床应用，和市场转化方面都取得了非常大的发展，其研究成果已经在很大程度上改变了临床治疗思路，使大量病人受益。虽然是一个相对来说比较新的学科，但是自诞生以来就一直吸引了大量的关注度。各国（美国，日本，新加坡，中国，等等）都在投入高额的研究资金来推动这个学科的发展，与此同时，大量相关的研究人员（临床医生，工程师，生物学家，化学家，材料学家，等等）都被吸引到这个充满潜力的领域，用他们在各自领域更专业的知识和技能来不断推动组织工程学科的发展。

值得指出的是，中国在近年来，在组织工程领域投入的前所未有的人力和财力，1999-2009 这十年间，中国政府投入了过5亿RMB 在组织工程的研究和临床应用上。Science杂志在2012年就曾发表评论 “China's Push in Tissue Engineering”对中国在这方面的发展做了报道，还报导了中国在此领域的先驱人物：南通大学顾晓松（神经系统），上海交大曹谊林（骨骼系统），清华大学崔福斋（脑组织）。

对于再生医学来说，目前组织工程主要在以下几个方向不断取得发展和突破：

1. 细胞来源

再生目标组织或器官，通常需要使用相应的细胞，比如心肌细胞（心脏），上皮细胞（皮肤），骨骼肌细胞（肌肉），等等。然而，很多细胞脱离了自体的原生环境，并不能在体外长期保持其功能和活性，比如肝脏细胞的体外培养一直是一个难题。所以新的细胞来源的取得就显得异常重要。多能干细胞（Pluripotent Stem Cells）的使用可以很大程度解决这个问题。胚胎干细胞（Embryonic Stem Cells）, 诱导多能干细胞（iPS cells）都是目前研究的热点，尤其是 iPS 细胞，因其独特的功能和不会造成伦理问题，已经成为全世界研究人员的宠儿，不断开发其新的应用，用于特定组织和器官的定向分化。与此同时，比多能干细胞更有特异性的组织干细胞，比如骨髓间充质细胞（Bone marrow stromal cells），脂肪干细胞（Adipose-derived stem cells）, 脐带血干细胞（Umbilical cord blood stem cells）等等，也被研究人员用于不同组织的再生。更特异性的细胞比如软骨祖细胞（chondrogenic progenitor cells），心肌干细胞（cardiac progenitor cells）也已被成功分离，并用于相应组织的再生。

(iPS cells forming a colony, credit: Flickr)

2. 新型生物材料

成功地组织工程，一定离不开生物材料学科的发展。再生具有不同特性的生物组织，材料的选择至关重要。组织工程发展初期，材料通常被用做支架用以支持细胞的贴附和生长。目前新材料的开发主要侧重于材料的生物学特性，新的材料不但要能作为支架，还要能与细胞相互作用，诱导细胞迁移，扩增，定向分化。同时新材料还被赋予了调节细胞生长的微环境的功能，比如释放生长因子，传递信号因子，抑制炎症，等等。更有能自组装（self-assembly）的新型生物材料，能在外部刺激的情况下，实现在特定时间，特定微环境中自我组装成目标组织或器官的形态。虽然这些研究还在早期的探索阶段，但可以预见未来会出现激动人心的突破成果。

( Biomimetic liver tissue engineered from novel biomaterials, credit: NIH)

3. 信号因子

对于体外细胞培养来说，缺乏了体内的原生环境和相关的信号因子，很难成功地有效率的分化为目标组织器官。经过多年的研究，部分组织定向分化所需的生长因子已经逐渐被确定。传统的组织工程方法通常直接应用已确定的生长因子组合，用于培养细胞或者装载了细胞的支架材料。然而，生长因子分离纯化耗时耗力耗钱，所以并不是长期使用的最佳选择。目前这个领域的发展主要侧重于化学小分子，基因，物理刺激，等等。通过化学小分子的作用，可以激活与生长因子作用相当的生物信号通路，因而诱导细胞分化。基因的转导，使细胞本身能在不需要外界刺激的情况下实现分化，以及功能的获取。对于不同目标组织分化过程中的物理刺激，比如失重，加压，支架材料的表面结构，等等也可以促进细胞的分化。结合新型生物材料，将不同信号因子和材料合并，也是一个研究的热点，所谓的 “Smart Material”。比如，具有药物缓释功能的支架，加载的质粒DNA的水溶胶，等等。

(Recellularization of decellularized rat kidney, credit: Harvard Medical School)

4. 生物制造方法

生物制造 (Biofabrication)是一个相对较新的名词，顾名思义就是利用构成生物体的基本元素（细胞，生长因子，生物材料，等等），制造出具有功能的生物组织或器官，或者用于研究的生物系统，这里主要谈一下前者。最传统的组织工程制造方法就是将细胞装载到3D支架，并在具有生长因子的环境中培养。经过多年的发展，大量针对于不同组织的制造方法被开发出来。举例来说，去细胞器官（Decellularization）的重新细胞化（Recellularization）已经在实验中用于肝脏，肾脏，心脏，等的组织工程；细胞膜片（Cell sheet）的3D组装也已经被成功应用于软骨，血管，皮肤等组织，并已经有临床产品用于病人；微组织 (micro-tissue) 作为基本结构单元，也被成功用于血管，肝脏组织，肌肉组织等的再生。目前很热门的3D生物打印技术的出现，给组织工程和再生医学带来了又一轮新的革命。由于其精确地控制能力和个性化特点，使得定制人体组织器官成为可能。虽然3D生物打印处于初期研究阶段，有很多困难要克服（请参见:

3D生物打印的主要难点是什么

），但是随着技术的成熟和组织工程自生的发展，成功3D生物打印出人体器官并不是幻想。

(3D bioprinting for tissue engineering, credit: Wake Forest University)

组织工程（Tissue Engineering）一直在不断发展和进步，虽然大量的研究成果还仅限于实验室阶段，但已经有很多技术进入了临床转化，甚至于市场化。不仅仅在其医学领域的应用，利用再生出的组织进行药物测试和毒物测试也被认为是未来5-10年的一项研究热点，这也将给生物医药产业带来革命性的突破。

(Human-on-a-chip drug testing model, Credit: Wyss Institute, Harvard University)

参考：

China's Push in Tissue Engineering

The Laboratory for Tissue Engineering and Organ Fabrication

Langer Lab: Professor Robert Langer

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Dr. YY

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