诱导多能干细胞技术被认为预示着一场医学革命，他们正在改变生命科学。
诱导多能干细胞（iPSCs）是2006年首次在小鼠体内产生的新型多能干细胞。它们代表了再生医学应用的潜在重要资源。在本文中，日本iPSC研究机构CiRA将介绍iPSC 是如何产生的？为什么它们可能很重要？以及它们如何为医学做出贡献？
iPS细胞是什么类型的细胞？
诱导多能干细胞（或iPSC、iPS 细胞）是通过将少量基因引入普通人类体细胞而诱导培养建立的。这些多能细胞可以在体内分化成任何类型的细胞，并在培养过程中无限增殖。iPS 细胞最早是由京都大学山中伸弥（Yamanaka）教授的团队发现的，并因此于2012年获得诺贝尔奖。
将细胞从分化状态转变为多能状态的过程称为重编程。Yamanaka 小组开发的方法已被证明具有高度可重复性，相对简单，被认为是一项重大的科学突破。
如何利用 iPS 细胞？
人们认为 iPS 细胞将有助于阐明疾病的原因、开发新药以及细胞移植疗法和其他形式的再生医学。
再生医学是一种旨在恢复因疾病或损伤而丧失的功能的疗法。例如，针对糖尿病的再生医学涉及移植具有调节血糖水平能力的细胞，或者在神经被切断的外伤情况下，移植有助于恢复中断连接的神经细胞。iPS 细胞可用于制造这些移植细胞。
同时，通过从难治性疾病患者的体细胞中生成 iPS 细胞并诱导它们分化为患病组织的细胞，科学家能够开展研究以阐明相应疾病的原因。例如，由于大脑变化而引起的疾病，因为脑细胞极难从活体患者身上获取和研究。研究人员可以使用 iPS 细胞来比较健康细胞和患病细胞。
iPS 细胞还将以一种在人体中不可能的方式评估和测试药物功效、副作用和毒性成为可能，这将极大地推动新药开发。一旦确保安全性，科学家还可以期待在再生医学中的应用，包括细胞移植疗法，涉及移植由患者来源的 iPS 细胞分化产生的组织和器官细胞。
哪些研究导致了 iPS 细胞的产生？
几十年来，科学家们一直在研究利用再生方法治疗人类疾病的可能性。1981 年，英国剑桥大学的 Martin Evans 教授及其同事建立了第一条小鼠胚胎干 (ES) 细胞系。胚胎干细胞是一种众所周知的多能细胞，可以在体内产生任何类型的细胞。
十七年后，James Thomson 教授建立了第一个人类 ES 细胞系，作为多能人类细胞的第一个生理来源，增加了人们对再生医学应用潜力的兴趣。然而，人类 ES 细胞是有问题的，因为它们的衍生涉及破坏体外受精过程中遗留下来的早期人类胚胎，这导致了各种伦理和宗教辩论，并促使许多国家的政府限制它们的创造和发展。最终使它们在某些情况下甚至难以用于合法的研究目的。
此外，由于难以从个体患者身上获得 ES 细胞，基于人类 ES 细胞的细胞疗法在许多情况下会涉及使用从另一个人的干细胞中产生的细胞，从而引起接受者免疫排斥的问题。
当 Shinya Yamanaka 教授的团队于 2006 年首次报告了小鼠 iPS 细胞，随后不久又于 2007 年报告了人类 iPS 细胞时，世界各地的许多实验室都在研究多能细胞的替代来源，以此作为避免这些问题的方法。
iPS 细胞与人类胚胎干细胞有何不同？
人类胚胎干 (ES) 细胞是通过从 6-7 天大的胚胎中取出细胞并在培养物中培养而建立的。相比之下，诱导多能干细胞可以使用来自成人身体（例如皮肤、血液）的细胞生成，这些细胞数量丰富且去除无害。
由于这不需要破坏胚胎，因此避免了围绕人类 ES 细胞的许多伦理问题。此外，与人类 ES 细胞不同，可以衍生出患者特异性 iPS 细胞并将它们诱导成各种类型的分化细胞，然后可以将其移植回患者体内而不会产生免疫排斥的风险。
Shinya Yamanaka 教授的团队是如何首先产生 iPS 细胞的？
Shinya Yamanaka 教授在研究胚胎干 (ES) 细胞中表达的基因，并于 2000 年开始寻找多能干细胞的替代来源。
他的团队发现，通过逆转录病毒载体将这些基因中的Oct3/4、Sox2、KLf4 和 c-Myc，引入小鼠体细胞（成纤维细胞）并培养细胞数周，这些细胞就可以重新编程到类似于 ES 细胞的多能状态，它可以在体内分化成各种类型的细胞。他的团队于 2006 年和 2007 年 11 月首次报告了他在小鼠 iPS 细胞和人类 iPS 细胞方面的成功。
是否有其他创建 iPS 细胞的方法？
世界各地的实验室都在研究诱导多能性的新方法。例如，在 Shinya Yamanaka 小组报告人类 iPS 细胞的同时，美国 James Thomson 教授的小组报告了一种使用略有不同的基因组合，使用Oct3/4、Sox2、Nanog 和 Lin28 来制造人类 iPS 细胞的技术。
许多其他小组使用了不同的病毒载体，如慢病毒和腺病毒，用化学物质取代基因，并使用重组蛋白。
在取得第一次突破后，CiRA 研究了多种生成方式，并成功建立了安全性更高的生成方式。例如，通过使用 L-Myc 基因替换被认为会增加致癌风险的 c-Myc 基因，以及通过使用附加型质粒在不使用病毒载体的情况下成功生成人类 iPS 细胞来实现的，人们认为它们会通过破坏原始基因组而导致癌症。
任何年龄的人都可以制造 iPS 细胞吗？
是的，在日本，iPSC 来源于最小 6 岁和最大 81 岁的人。这些细胞显示的多能性没有显着差异。
什么时候可以将 iPS 细胞用于新药开发（药物发现）和再生医学？
与2006年首次宣布iPS细胞的产生相比，iPS细胞的研究取得了长足的进步。
其成就包括推进研究以建立 iPS 细胞标准、建立创建安全 iPS 细胞的方法以及使用实验动物确认治疗效果和安全性。
2014年，一项临床研究开始将患者体细胞制成的iPS细胞来源的视网膜细胞移植到年龄相关性黄斑变性患者体内。
2018 年，一项临床试验开始将用于再生医学的由 iPS 细胞产生多巴胺的神经元细胞移植到帕金森病患者体内。
还正在研究使用由患者细胞制成的 iPS 细胞衍生细胞来发现难治性疾病的药物：2017 年开始了 FOP（进行性骨化性纤维发育不良）候选药物的临床试验，2019 年开始了肌萎缩侧索硬化症（ALS）的临床试验患者，以及 2020 年，一名家族性阿尔茨海默病患者试验。全球大量的研究人员正在继续他们的研究，以尽快为尽可能多的患者带来使用 iPS 细胞的新疗法。
哪些组织和器官的细胞可以由iPS细胞生成？
根据目前国内外报道的研究结果，iPS细胞能够分化为包括神经、心肌和血液在内的多种组织和器官的组成细胞。
然而，器官由于其三维 (3D) 结构而更加复杂。小型肝脏和小型多器官（肝脏、胆管、胰腺）的产生已有报道，但目前尚无关于人体大小的大型 3D 功能器官的报告。这是一个需要将 iPS 细胞技术与 3D 打印机、生物材料和其他技术相结合的领域。
当iPS细胞技术确立，医疗应用成为可能时，是否可以治疗所有疾病？
理论上，iPS 细胞能够分化成构成身体的任何细胞类型，但这并不一定意味着它们将适用于任何目的。例如，存储记忆的大脑受伤了，因为记忆的形成和相关问题在神经科学领域仍然是一个很大的谜团。也可能存在这样的情况，与其使用细胞，不如等待新药和治疗设备的出现。通过与其他研究领域的并行合作，科学家需要研究 iPS 细胞技术能够有效治疗哪些疾病。
iPS 细胞会引起免疫排斥，真的吗？
2011 年 5 月，从小鼠身上制备的 iPS 细胞被移植到其他基因相同的小鼠体内。研究结果表明 iPS 细胞可能比胚胎干 (ES) 细胞更容易引发免疫反应，这一发现被媒体广泛报道。在迄今为止还没有明确分析 iPS 细胞移植后可能发生什么反应的时候，这是一份重要的报告。但是，CiRA 认为需要进行更详细的测试，并在期刊上发表了评论作为回应。
在这个研究中，未分化的iPS细胞被用于移植，但这实际上与实际医学应用中发生的情况有很大不同。未分化的 iPS 细胞的移植会导致畸胎瘤的形成，因此当细胞用于医疗实践时，它们首先被诱导完全分化为目标细胞类型，并且只有在去除任何未分化的细胞后才能移植。当肿瘤在体内形成时，免疫系统会做出反应，试图摧毁它们。即使像该研究那样通过移植处于未分化状态的自体 iPS 细胞形成畸胎瘤，也只能预期会发生免疫反应以试图破坏它。
2013年，CiRA Jun Takahashi教授及其团队开展了将iPS细胞产生的神经细胞移植到猴脑中的研究。他们报告说，用动物自身细胞制造的 iPS 细胞衍生神经元几乎没有引起免疫反应。研究人员现在需要研究在这些条件下是否会发生免疫反应，这反映了实际的医学移植实践。
2017 年，一项使用猴子的研究报告称，即使细胞来自其他猴子，通过匹配 MHC（人类的 HLA）这种包含许多参与免疫反应的基因的抗原，也可以在一定程度上抑制免疫反应。
2019 年，由 Shin Kaneko 教授和 Akitsu Hotta 副教授领导的 CiRA 研究小组宣布，他们已经使用基因组编辑技术生成了具有低排斥风险的 iPS 细胞。因此，正在进行使用 iPS 细胞抑制移植免疫反应的研究。
哪些问题与 iPS 细胞的安全性相关？
全正在进行研究，目的是实现使用 iPS 细胞的细胞移植疗法。一个值得关注的安全问题是肿瘤形成的风险。CiRA 特别将其资源集中在这个问题上。
广义上讲，关于iPS细胞形成肿瘤的机制主要有两种理论。一种理论认为，iPS 细胞形成肿瘤是为了响应插入细胞的重编程因子的重新激活，或者是通过人工插入重编程因子对原始细胞基因组造成的损害。作为回应，科学家开始寻找不会导致重新激活的最佳重编程因子，并开发了一种生成 iPS 细胞的方法，其中重编程因子不会并入细胞染色体，因此避免了对宿主基因组的损害。
另一种理论认为，未分化细胞的残留物（未成功分化为目标细胞类型的细胞）或其他因素导致畸胎瘤（一种良性肿瘤）的形成。这一理论需要对 iPS 细胞增殖和分化进行研究。
1. 寻找最佳重编程因子
当Shinya Yamanaka教授和他的研究团队宣布成功生成小鼠iPS细胞时，他们使用的重编程因子之一是c-Myc，这是已知的致癌基因。有人认为该基因可能在细胞内被激活并导致肿瘤形成。然而，在 2010 年，CiRA 的研究人员Masato Nakagawa 和他的团队报告说 L-Myc 是一种很有前途的 c-Myc 替代因子。使用 L-Myc 创建的 iPS 细胞不仅几乎没有肿瘤形成，而且具有很高的成功生成率和高度的多能性。
2.寻找最优方案
当将生成 iPS 细胞所需的重编程因子插入皮肤或其他身体组织的细胞时，早期的方法采用逆转录病毒或慢病毒作为“载体”。
在这些方法中，将目标基因插入病毒中，然后用这些病毒感染细胞以递送目标基因。然而，当使用逆转录病毒或慢病毒作为载体时，病毒会以随机方式整合到细胞的基因组 DNA 中。这可能会导致一些细胞的原始基因丢失，或者在其他情况下被激活，从而导致癌变的风险。
2008 年，为了弥补这一风险，CiRA 的研究人员 Keisuke Okita 和他的团队探索了使用一种称为质粒的环状 DNA 片段来替代逆转录病毒或慢病毒方法，这种质粒没有掺入细胞染色体。通过这种方式，他们开发了一种生成 iPS 细胞的方法，其中重编程因子未整合到细胞染色体中。2011 年，Okita 和他的团队通过将六个因子（OCT3/4、SOX2、KLF4、LIN28、L-MYC 和 p53shRNA）引入自我复制附加型质粒中，进一步提高了效率。
3. 建立安全细胞的生成和筛选方法
如上所述，一旦使用适当的基因和基因插入方法诱导 iPS 细胞分化为目标体细胞，分化的细胞就不会恢复到未分化状态。然而，有时可能会残留未分化的细胞，它们尚未完成向靶细胞的分化过程，这些细胞即使很少也可能形成肿瘤。
科学家们已经确定，不同的 iPS 细胞系，即使是从同一个人使用相同的方法产生的，也可能在增殖和分化潜能方面表现出差异。
这意味着，如果使用分化潜能低的iPS细胞，则存在细胞群中残留的细胞无法完全分化并导致畸胎瘤形成的风险。
2013年，由CiRA 的研究人员Kazutoshi Takahashi 和神户大学助理教授的 Michiyo Aoi 博士领导的团队开发了一种简单的方法来筛选具有高度分化为神经细胞潜力的 iPS 细胞系。
在 iPS 细胞生成阶段或随后的培养阶段，基因组或其他损伤也存在致瘤风险。CiRA 助理教授 Akira Watanabe 和他的团队开发了一种灵敏的方法，可以使用最新设备检测 iPS 细胞的基因组和其他损伤。
4. 开发一种可靠的分化成目标细胞类型的方法
在细胞移植疗法中，iPS 细胞不会直接移植到人体中。相反，细胞在分化成目标细胞类型后被移植。
因此，开发一种可靠的诱导 iPS 细胞分化为目标细胞类型的方法非常重要。CiRA 目前正致力于开发从 iPS 细胞分化为一系列不同细胞类型的技术。
CiRA Jun Takahashi 教授和他的团队开发了一种高效的诱导 iPS 细胞分化为产生多巴胺的神经细胞的方法。2014 年，CiRA Koji Eto 教授和他的团队报告了一种从 iPS 细胞生产血小板的方法，该方法既可靠又能产生大量血小板。这些发现代表了针对帕金森病等神经疾病和再生障碍性贫血等血液疾病的基于 iPS 细胞的再生医学迈出的重要一步。
安全问题何时才能解决？
自 2006 年首次报道 iPS 细胞的生成以来，研究已经在生成方法方面取得了巨大进步，同时质量评估方法也正在到位。
2009年美国斯克里普斯研究所的Hongyan Zhou及其同事发明了一种使用重组蛋白产生诱导多能干细胞的方法，这样做的理由很简单，在之前的许多实验中，研究人员引入 Oct4、Klf4、Sox2 和 c-Myc 的逆转录病毒因子修改了靶细胞的基因组。Zhou等研究记录他们的 iPSC 传代超过 30 次。他们还报告说，iPSC细胞在形态上与常规 ESCs 无法区分。该研究首次表明可以仅使用蛋白质从体细胞中产生 iPSC，这是一种不会增加畸胎瘤形成风险的 iPSC 的有效技术，是再生医学向前迈出的巨大一步。
2014年，iPS细胞来源的视网膜色素上皮细胞被移植到年龄相关性黄斑变性（AMD）患者体内，这是iPS细胞技术用于临床应用的一个重要里程碑。此外，在脊髓损伤、帕金森病、心力衰竭和包括再生障碍性贫血在内的血液疾病方面，基于 iPS 细胞的再生疗法的安全性药物已经在动物实验中进行了检验，希望在未来几年将其用于患者。
从患者细胞中产生的 iPS 细胞可用于创建复制受疾病影响的组织的细胞。该技术提供了使用 iPS 细胞测试药物功效、副作用和毒性以及开发新药物和疗法的前景。为了实现这个目标需要解决哪些问题？
与使用动物细胞或其他材料时相比，使用来自患者的 iPS 细胞产生的细胞进行的研究可能会产生更准确地反映人类疾病机制的模型。
换句话说，它应该让科学家更好地回答疾病为什么会发展的问题，因此它应该在寻找可以阻止或延缓疾病进展或治愈疾病的药物方面更有用。
此外，通过从一系列不同的遗传背景中生成 iPS 细胞，诱导它们分化为心脏、肝脏或其他易受药物副作用影响的器官的细胞，然后将这些细胞暴露于药物所基于的化合物中, 将有可能研究这些化合物是否会干扰基本器官功能或有其他副作用。
这种研究不仅会促进细胞移植，还会使更多患者获得治疗。因此，我们期待看到此类研究得到大力推动。
然而，使用 iPS 细胞技术在细胞水平观察到的异常是否是患者实际疾病的真正原因需要仔细研究。还需要进行基础广泛的研究，以检查使用 iPS 细胞技术发现的药物的有效性以及这些药物是否足够安全。
然而，在重现患者病情的同时，还需要仔细分析在细胞水平上观察到的异常是否是患者患病的真正原因。科学家还需要广泛确认使用 iPS 细胞发现的药物对患者的有效性以及它们是否足够安全。2017 年针对 FOP（进行性骨化性纤维发育不良）患者、2019 年肌萎缩侧索硬化症（ALS）患者和 2020 年家族性阿尔茨海默病患者启动了临床试验。
以下信息基于截至 2022年可用的信息，信息来源 CiRA。
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