iPS研究急待“涅槃重生”

張懷奇

2006年，以山中伸彌教授為首的日本京都大學(xué)研究小組通過實驗，成功地將小鼠的皮膚細胞——確切地說是成纖維細胞——轉(zhuǎn)化成了干細胞。這是科學(xué)家首次獲得誘導(dǎo)性多能干細胞，即iPS細胞。

iPS細胞的發(fā)現(xiàn)有著不同尋常的意義。首先，它更新了人們的觀念，從此之后人們不再認為細胞的命運不可逆轉(zhuǎn)。普通體細胞不僅可以逆轉(zhuǎn)為干細胞，而且還可以實現(xiàn)不同組織間的轉(zhuǎn)分化。其次，它繞過了胚胎干細胞的倫理困境，讓很多實驗室都可以重復(fù)這個簡單的實驗，開展多能干細胞的研究。最后，iPS細胞還具有很多胚胎干細胞所不具備的優(yōu)勢。諸如，將患者自身的iPS細胞在體外操作后重新植入體內(nèi)，會大大減少排斥反應(yīng)。如果將患者的體細胞逆轉(zhuǎn)為iPS細胞，在體外分化并觀察這個過程中出現(xiàn)的問題，那么就可以實現(xiàn)在培養(yǎng)皿里模擬疾病的發(fā)生。具有疾病特異的iPS細胞在體外擴增和分化以后，還可以用作篩選治療該疾病的藥物，或者對藥物的毒性進行檢測。

但是這僅僅是新的開始，生命科學(xué)如此復(fù)雜和不可預(yù)測，要把這些愿景變成現(xiàn)實，讓iPS細胞真正造福人類，還有諸多的難題需要攻克。

目前，科學(xué)家對iPS細胞的產(chǎn)生機制仍不明確。最初，研究者除了認為可能是由導(dǎo)入的4個基因（分別為Oct3/4、Sox2、c-Myc和Klf4）激活了干細胞的相關(guān)因子，誘導(dǎo)了細胞的再編程外，也并不確定是否因為反轉(zhuǎn)錄病毒摻入了細胞基因組的特定位點而導(dǎo)致再編程，或是在外周成纖維細胞培養(yǎng)中本身就存在具有未分化特性的祖細胞，或是細胞基因組已經(jīng)發(fā)生了不能被染色體核型分析所檢測到的微小改變，或是外成性的改變導(dǎo)致了再編程的發(fā)生。

隨著當(dāng)前iPS細胞研究的進展，盡管一些諸如反轉(zhuǎn)錄病毒摻入等可能因素已經(jīng)被排除，但對其再編程發(fā)生機制全貌的了解，仍需進行大量的研究來證明。而這一問題若無法解決，研究者們就無法對每個iPS細胞是否徹底完成了再編程進行判斷，也無法獲得更為高效、安全的手段來誘導(dǎo)iPS細胞。因此，iPS細胞產(chǎn)生機制的研究，已成為限制iPS細胞研究發(fā)展及應(yīng)用的最大瓶頸，也必將成為未來iPS細胞研究領(lǐng)域重點突破的科學(xué)難題。

安全性問題是阻礙iPS細胞走向應(yīng)用領(lǐng)域的另一個重大問題。早期的iPS細胞誘導(dǎo)主要采用了諸如反轉(zhuǎn)錄病毒或慢病毒等病毒載體，但反轉(zhuǎn)錄病毒載體存在整合入宿主細胞基因組并導(dǎo)致腫瘤的問題，因此在安全性上難以滿足實際需要。當(dāng)前很多技術(shù)上的改進，包括采用非病毒載體，甚至采用藥物直接誘導(dǎo)等方式，即使不存在病毒基因的摻入，非病毒載體的質(zhì)粒片段也可能存在整合，藥物也可能誘發(fā)基因突變，從而誘發(fā)腫瘤的產(chǎn)生。此外，導(dǎo)入的4個基因中的c-Myc具有明確的致腫瘤作用。實驗證明，導(dǎo)入c-Myc生成iPS細胞的人工嵌合體小鼠中有50%都會發(fā)生腫瘤。同時，僅僅導(dǎo)入其它3個基因同樣也存在一定的腫瘤發(fā)生率。如何改進并研究出新的低致瘤性的誘導(dǎo)方法、提高iPS細胞的安全性，是未來iPS細胞研究中的重點與難點之一。

當(dāng)今的iPS細胞研究尚屬于實驗探索的階段。在實驗中，從開始誘導(dǎo)iPS細胞到建立穩(wěn)定的iPS細胞克隆，所需要的時間至少在21天以上，而誘導(dǎo)效率則低于1/5000～1/10000，也就是說1萬個細胞中能被成功再編程，并誘導(dǎo)成為干細胞的不超過1～2個。

如果單純從科研的角度而言，這種效率已經(jīng)足夠高了，因為單純一次實驗就可以獲得數(shù)個克隆的iPS細胞。如果從臨床應(yīng)用的角度考慮，涉及到從患者體內(nèi)分離并培養(yǎng)大量細胞，以及臨床治療的時效性時，這樣的速度和效率是遠遠滿足不了臨床需求的。因此，必須大大提高誘導(dǎo)效率，縮短誘導(dǎo)時間。

目前，iPS細胞研究主要通過選取更容易被誘導(dǎo)再編程的細胞、改進誘導(dǎo)方法等手段來提高誘導(dǎo)效率，而這方面的研究必將是今后iPS細胞走向臨床應(yīng)用的重要方向之一。

iPS細胞像胚胎干細胞那樣，能無限分裂，也能形成三個胚層。但不同于胚胎干細胞的是，iPS細胞曾經(jīng)是已經(jīng)分化的細胞，如皮膚細胞或肌肉細胞。那么，它們?nèi)跃哂羞^去某些遺傳或細胞意義上的“記憶”嗎？近年來的研究表明，這些“記憶”的確以DNA表觀遺傳標(biāo)記的形式存在著。

iPS細胞保持了一些表觀遺傳標(biāo)記，在原先已分化的細胞中控制著基因的開關(guān)。只有把這些標(biāo)記去除，科學(xué)家才能聲稱得到的iPS細胞與胚胎干細胞毫無差異。理論上來說，將干細胞移植到患者體內(nèi)的預(yù)期用途很多，但是在運用iPS細胞的治療過程中，致癌基因帶來的風(fēng)險讓一些科學(xué)家心存疑慮。如果醫(yī)生能在治療中避免多能性的步驟，治療風(fēng)險將會降低。目前最理想的方案是，從根本上避免進行細胞剔除和移植。那么，有沒有藥物可以直接作用于人體內(nèi)的細胞，引發(fā)細胞的再分化，從而形成所需的細胞呢？最近科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，已經(jīng)分化的細胞可以直接轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N類型的細胞。這個被稱為“轉(zhuǎn)分化”的過程，吸引了很多科學(xué)家對此展開研究。但是科學(xué)家仍然不能確定，細胞究竟是直接從一種類型改變?yōu)榱硪环N類型，還是期間必須經(jīng)過一個低分化的階段。由此可見，要想把這些細胞用于更為詳盡的研究或臨床應(yīng)用，還需要做大量的工作。

總之，iPS細胞應(yīng)用于臨床實踐還有一段漫長的征途。但是相信隨著相關(guān)研究的不斷深入，iPS細胞因其所具有的在自體細胞移植、組織工程、新藥物篩選、體外疾病模型建立等方面的優(yōu)勢，在臨床應(yīng)用的前景是廣闊的，必將給醫(yī)學(xué)界帶來新的希望。