优质细胞库的重要性
长期以来，研究人员已经认识到建立经过验证和质量控制的人类多能干细胞 (hPSC) 系的干细胞库的价值和必要性，以确保可以复制和比较来自世界各地不同实验室的工作。这些细胞用于研究应用，如发育生物学、毒理学和药物发现，并研究它们在细胞疗法中的潜力。这些研究正在对在各种培养条件下生长的许多多能干细胞系进行，这使得标准化变得困难，并且可能产生已经获得永久性有害变化的细胞。错误使用此类细胞的后果不仅是浪费时间和资源，而且更重要的是，会产生不正确的数据，如果发表这些数据，可能会混淆和延迟科学进步。因此，确保用于多能干细胞领域的细胞系得到正确验证和表征对于实现高质量研究至关重要。
人类胚胎干细胞 (hESC) 和人类诱导多能干细胞 (hiPSC) 都有能力在人体内产生所有细胞类型，这使它们成为研究人员的宝贵工具。2006 年，日本京都的 Shinya Yamanaka 实验室率先推出了诱导多能干细胞 (iPSC) 技术。他表明，引入四种转录因子编码基因（Oct4、Sox2、cMyc 和 Klf4）可以使成体细胞恢复到多能或“胚胎样”状态。由于使用了成体细胞，与源自植入前阶段人类胚胎的人类胚胎干细胞 (hESC) 相比，它们的使用限制和争议较少，因此增加了对高质量 hiPSC 系的需求。衍生和验证 iPSC 系所需的专业知识、时间和成本是创建优质 iPS 细胞库的关键推动力。
通过科学界的努力，人类胚胎干细胞库网络的产生确保了世界范围内的研究人员可以广泛使用表征良好和质量控制的 hESC 系。在生产用于研究的 hES 细胞库方面获得的来之不易的经验为以类似的方式创建用于研究和药物发现的 hiPSC 细胞库铺平了道路。hiPSC 研究的势头没有放缓的迹象，该领域将从为全球研究人员提供合格、可追溯和可靠来源的 hiPSC 系的细胞库中受益匪浅。国际干细胞储存和供应的基本准则由国际干细胞储存倡议描述，包括重要特征，如知情同意、可追溯性和细胞表征。
加州的干细胞计划
当位于美国旧金山的加利福尼亚再生医学研究所 (CIRM) 开始人类多能干细胞 (hPSC) 储存库项目时，上述标准得到了仔细考虑。该计划旨在提供世界上最大的高质量、疾病特异性诱导多能干细胞（iPSC）资源库，供非营利和营利组织在全球范围内使用。
加州干细胞机构成立于 2004 年，当时加州的第 71 号提案：加州干细胞研究和治疗计划获得批准，并作为该州的干细胞研究机构，获得了 30 亿美元的资金支持。
hPSC 资源库（预算为 3200 万美元）是 CIRM 通过与学术界和工业界合作为全球研究界提供宝贵资源的主要努力之一。CIRM 主席 Jonathan Thomas 博士、J.D. 表示：“我们相信该细胞库将成为帮助推动使用干细胞工具研究疾病和寻找治疗疾病的新方法的极其重要的资源。
虽然过去的许多干细胞研究为研究罕见的遗传疾病提供了急需的新工具，但该iPS细胞库代表了困扰许多加利福尼亚人的常见疾病。干细胞技术也为开发针对这些疾病的新疗法和治疗方法提供了一种关键的新方法。”
位于美国旧金山的加利福尼亚再生医学研究所 (CIRM)
iPS细胞库CIRM 与 hPSC 存储库的学术和行业领导者建立了重要的合作伙伴关系（图 1）。2013 年 3 月，位于威斯康星州的细胞动力国际 (CDI)公司 和位于新泽西州的科里尔医学研究所 (Coriell) 因该细胞库项目获得了 CIRM 的两项数百万美元的赠款。
CDI 获得了 1600 万美元，用于为代表 11 种疾病的 3000 名健康和患病供体中的每一个创建 3 个诱导多能干细胞 (iPSC) 系。同时，Coriell 获得了近 1000 万美元的资助，用于为这些品系建立一个生物储存库。其余的 3200 万美元被授予四家加州机构，用于招募组织捐赠者来创建 iPS 细胞。
图 1：CIRM 人类诱导多能干细胞 (hiPSC) 资助情况
CDI 董事长兼首席执行官 Kaz Hirao 表示：“事实证明，iPSC 是疾病建模、药物发现和细胞疗法开发的强大工具，以其他细胞模型无法实现的方式捕捉人类疾病和个体遗传变异。我们已经看到 iPSC 的可用性急剧增加。我们很高兴成为创建高质量 iPSC 系的首选供应商，并使学术界和工业界的科学家能够更好地了解和帮助开发主要疾病的治疗方法。”
“Coriell 研究所在 iPSC 技术方面已经建立了几年的专业知识，这个奖项将大大扩大我们在该领域的影响力，”Coriell 总裁兼首席执行官 Michael Christman 博士说。“在我们 60 年的运营中，我们还确定了生物样本库的最佳实践，管理着数百万个用于全球研究发现的生物样本。我们看到了 iPSC 的巨大研究潜力，并热衷于与像 CDI 这样的杰出公司合作，该公司是该领域的世界领先者。”
尽管 CDI 和 Coriell 都位于加利福尼亚州以外，但在加利福尼亚州诺瓦托的巴克研究所建立了设施，在那里制备和存储 iPSC。两家公司都在巴克研究所的再生医学研究中心占据了约 4,500 平方英尺的空间。
hPSC 存储库的主要功能
规模、疾病的仔细选择、高质量细胞的库存和广泛的公共应用使该iPS细胞存储库与类似的工作（即 StemBANCC 和 HipSci）区分开来。该iPS细胞库的庞大规模使其成为研究个体之间遗传变异的独特之处，以提高我们对不同人群中疾病和治疗如何变化的理解，否则使用较小的细胞库是不可能的。集合中的许多常见疾病具有复杂或未知的起源，这使得开发有效的治疗方法变得困难，并且会从这种大规模比较中受益。hPSC Biorepository 的疾病重点领域包括：
心血管疾病
肺部疾病
肝病
致盲眼病
儿童神经发育障碍（即婴儿癫痫、自闭症和脑瘫）
阿尔茨海默氏病
iPSC 的独特之处在于，它们可以从患有已知疾病的成年人身上获得的细胞生成，然后分化为体内任何类型的细胞。例如，在实验室中比较从患病和健康供体 iPSC 系分化出来的心脏细胞，可以通过概括疾病生物学来帮助揭示疾病的潜在遗传原因。“iPS细胞库将使研究人员能够在开始大规模、昂贵的临床试验之前更快、更准确地测试新疗法，”斯坦福心血管研究所所长、斯坦福大学医学院教授 Joseph Wu 说。
hPSC Biorepository 于 2015 年 9 月 1 日通过 Coriell 的在线目录 (https://catalog.coriell.org/CIRM) 公开提供。截至 2020 年 12 月，全球有 1689 个经过验证的细胞系可供研究人员使用。
CIRM 的 hPSC Repository 的目标是提供全球最高质量的 hiPSC 系，作为研究界的宝贵资源，而不是“营利性”（与其他商业细胞库相反）。因此，这些细胞是按成本提供的，这有望使iPS细胞库在维持研究人员的成本效益的同时维持自身的发展。对于学术或非营利组织，一瓶细胞的价格为 750 美元，商业实体为 1,500 美元。
hPSC 存储库的生成可分为三个主要步骤：组织收集、iPS 细胞系生成 (CDI) 和 iPS 建系和分发 (Coriell)。
组织收集
CIRM 希望尽早制定指导方针，以确保患者了解他们捐赠的细胞将如何用于iPS细胞库。这种“知情同意”是研究伦理的基础，对 iPSC 研究尤其具有挑战性，因为从供体组织产生的细胞系是不朽的，可用于未来数年的研究。
在 CIRM，理事会求助于由科学家、患者倡导者和医学伦理学家组成的 Articless 工作组 (SWG)，就负责任的研究行为的道德程序向他们提供建议。该小组指出需要向潜在捐赠者强调他们的细胞不会用于个性化治疗。
相反，重新编程的细胞系将存放在细胞库中以帮助科学进步。作为讨论的结果，CIRM 开发了一个严格的知情同意模型，其中包括在招募前 iPSC 系的许多潜在下游用途，包括可能因使用细胞而产生的任何产品商业化。这让研究人员高枕无忧，因为他们知道由于知情同意而导致的研究计划的并发症最小。每个捐赠者的同意包括以下声明：
测试细胞的 DNA（这称为细胞的遗传密码或序列）并使其他研究人员知道这些信息：
改变这些细胞内的一些遗传密码或序列
使用细胞测试或选择治疗疾病的药物
将细胞或产生的产品移植到人类或动物身上
广泛（国内和国际）分发细胞用于研究、培训或商业医疗产品开发
目前无法预见的未来研究和用途
一旦他们同意参与，就会对患者进行筛查，检测出 HIV、HBV 和 HCV 等传染病呈阴性。通过抽血获得的外周血单核细胞 (PBMC) 和皮肤活检来自图 1 中列出的组织收集者招募的患者，并存放在由 Coriell 运营的iPS细胞库中。但是，由于项目时间紧迫，无法获得足够的捐助者样本，因此批准延期一年，以在 2019 年 11 月 30 日之前完成与赠款相关的活动。
iPSC 建系：Cellular Dynamics International（CDI）细胞动力国际公司
FUJIFILM （富士胶片）旗下的 Cellular Dynamics International (CDI) 是用于药物发现、毒性测试、干细胞库和细胞疗法开发的人体细胞制造商的全球领导者。
他们在 iPSC 系生成方面的专业知识是 CIRM 细胞库计划的一项资产。在 Coriell 对原始组织进行编目后，将它们交给 CDI 进行 iPSC 系的建立。CIRM 通过让一个实体衍生所有细胞系来确保细胞库的细胞系生成一致性，这与其他 hPSC 库不同，在其他 hPSC 库中，细胞系由不同的研究人员制备和存放（使用不同的衍生、培养和冷冻保存技术）。衍生和培养方法的一致性允许对 hPSC 存储库细胞系进行定向比较，因为这些细胞具有相同的“历史”。
供体细胞使用附加型方法重编程 - 由 Junying Yu 和 James Thomson首创 - 其中环状 DNA 载体将重编程基因传递到供体的体细胞中以生成 iPSC 系。附加体重编程优于其他重编程方法，尤其是在临床应用中，因为它是非整合的（即载体 DNA 不会整合到宿主基因组中）。hPSC 存储库的大量 iPSC 线需要高度依赖自动化来进行高通量 iPSC 重编程。到 2019年底，已为该计划生成了来自 1737 个供体样本的 iPSC 克隆。
iPSC 系以标准化方式衍生和处理，以确保维持质量标准。它们在不依赖饲养层的条件下使用 Essential 8 (E8) 培养基在玻连蛋白基质上培养，并以菌落形式冷冻保存。此外，CDI 使用他们建立的质量控制管道来保证每个细胞系的多能性和遗传稳定性。图 2 总结了每条生产线必须通过的严格质量测试标准。
图 2：iPSC 系的质量控制标准
每条 iPSC 品系都被运送到第 10 代，存放在科里尔研究所，在那里储存并在全球分发给学术和行业研究人员。
iPSC 银行和分销：Coriell Institute科里尔研究所
Corielle 研究所在管理复杂的生物样本集合（从跟踪和安全存储到分发）方面拥有多年的专业知识，但也面临着该集合中大量样本和数据的挑战。从 3000 个需要冷冻保存的主要 iPSC 线中的每一个，大约有 40 个小瓶可供分配，不包括初级供体组织（即 PBMC 和皮肤活检），也需要适当的存储和跟踪。
因此，建立了临床信息管理系统 (CIMS) 以帮助跟踪与细胞系相关的所有信息。除了为 CDI 生成的 iPSC 系提供可追溯性外，Coriell 还收集了每位患者的去识别化临床数据（例如患者性别和个人是否患有特定疾病）。所有这些数据都可以通过 Coriell 的每个 iPSC 线的在线目录提供给研究人员。
干细胞库的未来
随着使用 iPSC 进行疾病建模和药物筛选的不断进步，hPSC 存储库的规模和多样性将有助于研究人员确定特定疾病的潜在遗传原因，并希望带来新的治疗选择。
CIRM 能够利用 CDI 和 Coriell 的专业知识，建立一个强大的框架，用最高质量的经过验证的iPS细胞库。获得可靠的细胞来源将使研究人员能够专注于通过使用细胞本身来实现他们的研究目标，而不是花费金钱和时间进行衍生和验证，从而简化和加速研究。
随着干细胞研究人员数量的增加和新应用的研究，干细胞库将越来越多地成为工业规模的活动，而不是各个实验室之间的非正式交流网络。他们还需要成长并适应干细胞研究动态领域的快速变化，特别是在再生医学应用方面。
iPSC 在再生医学中用于细胞疗法的潜力仍然是一个热门话题。但是，尽管媒体经常报道，研究人员已经认识到个性化或自体疗法对于治疗疾病可能不可行，因为为每个患者获得 iPS 系需要等待时间和高成本。例如，由位于神户的 RIKEN 发育生物学中心进行的首次人体临床试验，由 Masayo Takahashi 博士领导，使用视网膜色素上皮 (RPE) 细胞治疗渗出性（湿型）黄斑变性 (AMD)耗资约 100 万美元，耗时一年完成。
毫无疑问，自体细胞疗法将是最理想的，因为移植后可能没有免疫抑制，但一些关键研究人员最近在临床领域的变化可能表明该领域向同种异体细胞疗法（捐赠者和接受者在基因上相似但不相同）疾病治疗方法。
虽然同种异体供体存在移植排斥的可能性，但大规模生产和标准化的主要优势可能会抵消这一点。尤其是日本，它处于该领域的最前沿，已迅速进行了许多疾病的人体临床试验。Masayo Takahashi 博士宣布，日本 AMD 临床试验（上文提到）中的第二名患者将使用来自已建立的 iPS 细胞库的同种异体细胞进行治疗，这些细胞已被广泛分析。由 Jun Takahashi 博士领导的一项单独的、用于治疗帕金森病的临床试验也将紧随其后。在展望全球临床治疗时，从自体治疗到同种异体治疗的转变可能是重要的。
目前，用于临床的 iPSC 系将受益于包含广泛的人类白细胞抗原 (HLA) 基因型，以覆盖广泛的同种异体治疗人群。HLA 允许免疫系统区分“自我”和“非自我”，是组织和器官移植的关键部分。
HLA 超级捐赠者是指其遗传 HLA 谱使其细胞更适合捐赠给无关患者的个人。Lonza（瑞士巴塞尔）和 Cellular Dynamics 等公司已经在使用良好生产规范 (GMP) 为治疗目的生成和储存自己的 HLA 超级供体细胞系。
目前，CDI 拥有两个 HLA 超级供体细胞系，为 19% 的美国人口提供部分 HLA 匹配，并计划继续添加到与 95% 人口匹配的库中。总之，CIRM、CDI 和其他组织需要继续努力为大规模细胞库工作（无论是用于研究还是临床追求）提供资金，这仍然是适应不断变化的科学格局的重要目标。
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