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腾讯登录iPS 10年历史回顾
| 导读 | 诱导性多潜能干细胞（Induced pluripotent stem cells, iPS）问世之初，人们认为它将引起一场医学革命。但10年后的今天，科学家们发现，iPS更多的是变革了生物研究领域。 |
山中伸弥（Shinya Yamanaka）因成功将成体细胞转化成干细胞，获得了2012年的诺贝尔医学奖。
诱导性多潜能干细胞（Induced pluripotent stem cells, iPS）问世之初，人们认为它将引起一场医学革命。但10年后的今天，科学家们发现，iPS更多的是变革了生物研究领域。“细胞成球了！”（干细胞没有一般细胞的接触抑制特性，因此能成球生长。而普通细胞则不具有这一特性。）
Yamanaka听到他的博士后Kazutoshi Takahashi重复“细胞成球长了”时，他惊喜地跳了起来，跟着Takahashi进入了组织培养室。在显微镜下，他们看到了小的细胞球——这是五年辛苦工作的成果，Yamanaka之前一直不确定能否成功。但幸运的是，五年的汗水没有白费。
两周前，Takahashi从成年小鼠身上取下皮肤细胞，使用病毒感染这些细胞，引入24个精心选择的基因。现在，这些细胞已经转化了。它们看起来像胚胎干细胞——多潜能细胞，具有分化成皮肤、神经、肌肉或其它任何类型细胞的能力。盯着眼前的细胞球，Yamanaka想，“肯定是中间哪个环节出错了。”他要求学生一次又一次重复该实验。每一次试验，都得到了类似的结果。
接下来的两个月，Takahashi把24个基因删减到4个，因为4个基因就足以诱导成体细胞转化成干细胞。2006年6月，Yamanaka在加拿大多伦多国际干细胞研究会（International Society for Stem Cell Research）上，向一群科学家们展示了这一成果。他把这些细胞称为“胚胎干细胞样细胞”（ES-like cell），但后来把它们称为“诱导多潜能干细胞”（induced pluripotent stem cell, iPS cell）。与会的麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology）生物学家Rudolf Jaenisch 表示，当时很多人不相信。但Jaenisch了解并相信Yamanaka的工作，所以他认为这种方法非常“巧妙”。
再生医学研究人员可能会从该研究中受益：可以取病人自己的皮肤、血液或其它细胞，将其重编程为iPS细胞。这种个性化治疗既能解决免疫排斥的问题，又能规避从胚胎中取干细胞的伦理问题。
10年后，科学家们发现，这些疗法研发非常困难，iPS的目标也已悄然变化。2015年，唯一的iPS细胞临床试验在治疗了一个病人后就被中止了。
iPS以另一种方式大显神威。它已成为对人类疾病建模和研究的重要工具，以及用于筛选药物。诱导干细胞方式的改良，外加基因编辑技术，让iPS得以为生物研究提供曾经无法获得的人类器官模型。约翰霍普金斯大学（Johns Hopkins University）的神经科学家Guo-li Ming指出，这在人类发育学和神经系统疾病领域有重要价值。Ming从2006年起，就开始使用iPS细胞。
但iPS领域的发展挫折重重。随着越来越多的实验室采用iPS细胞，“一致性”成为了一个大难题。美国斯克利普斯研究所（Scripps Research Institute）的干细胞生物学家Jeanne Loring表示，最大的挑战是制定统一的质量控制标准。现在还有一些文章使用一个细胞系，得到了惊人成果。但没人能重复得出来。技术其实已经很成熟了，只是需要正确地使用。
从皮肤到眼睛
在汇报成果六周后，Yamanaka和Takahashi发表了4个调控iPS转化的基因：Oct3 / 4、Sox2、Klf4和c-Myc。接下来一年，包括Yamanaka实验室在内的3个实验室都验证和完善了这种细胞重编程方法。在此之后的6个月，Yamanaka和威斯康星大学麦迪逊分校（University of Wisconsin–Madison）的James Thomson成功重编程了人类成体细胞。世界各地的实验室都踊跃使用这一技术：到2009年底，业界已有300多篇iPS相关论文获得发表。
许多实验室的重点工作是：哪些类型的成体细胞可以重编程，产生的iPS能分化成哪些类型的细胞。其他人试图进一步改进重编程方法，最初删除了c-Myc，因为该基因会让一些细胞癌变。后来采用无需将这些基因整合到基因组的方式递送基因，提高了基于iPS细胞治疗的安全性。
另一个大问题就是iPS和胚胎干细胞的差异。科学家们一经发现，iPS细胞保留了表观遗传记忆——DNA上的一些表征细胞类型的化学标志。但专家们认为，这并不影响iPS的医学价值。正如Jaenisch所说，iPS和胚胎干细胞有差异很正常，但他认为，这些差异没有那么大，那么重要。
2013年，她的团队从两个黄斑变性患者身体取得皮肤细胞，转化成iPS细胞，并诱导这些细胞转化为视网膜色素上皮细胞（RPE），以备临床试验之需。不久后，CDB负责另一种细胞重编程技术STAP（stimulus-triggered acquisition of pluripotency, STAP）的小保方晴子等人被发现学术造假。虽然iPS细胞试验与STAP毫无瓜葛，但当时的气氛让Takahashi难以继续开展iPS临床试验。2014年12月，她的团队发表了该实验结果：将RPE植入到一位70多岁的患者眼内。Takahashi表示，iPS治疗停止了患者的黄斑变性，恢复了她的视力。
但在准备对第二名受试者展开治疗时，他们发现病人的iPS及其衍生的RPE细胞都存在两个小的基因变化。尽管没有证据表明这两个突变与肿瘤的形成有关，但“以防万一”，Yamanaka建议Takahashi停止试验。
加州大学（University of California）的干细胞生物学家Paul Knoepfler指出，Takahashi项目的中止也打消了研究者们对人类iPS试验的热情。现在全世界都在观望iPS细胞疗法的发展。但牛津大学（University of Oxford）研究干细胞调控和生产的David Brindley表示，iPS细胞进入临床面临困难是一件很正常的事。一般来说，一个科学发现走向临床和商业应用基本要花20年时间，iPS细胞也同样如此。
在美国，Astellas再生医学研究所（Astellas Institute for Regenerative Medicine，原Advanced Cell Technology）的首席科学官Robert Lanza指出，Astellas有几个基于iPS细胞的治疗项目，包括黄斑变性和青光眼。对于这类项目，选择合适的方法，诱导出大量的、高纯度的合适类型的细胞需要数年时间。Lanza表示，iPS细胞是最复杂而动态的疗法，他是第一个想在临床上看到这些细胞的人，但他也仍需对此保持高度警惕。
另一个巨大的挑战是这类治疗获得批准的门槛。Loring希望在未来两年内启动iPS细胞治疗帕金森病试验。但这并不容易：该治疗使用来自病人自身的细胞，Loring计划开展一系列复杂的认证实验，以确保每个细胞系的安全性，从而应对FDA的审查。
Yamanaka指出，开发和测试一种治疗，哪怕受试者只有一名病人，都对领域有重要意义。对一个患者的试验需要一年时间，花费100万美元。他预计，未来的治疗使用细胞库中捐赠者细胞诱导而来的iPS细胞，不需要使用每个病人自身的细胞。
Takahashi计划比较iPS细胞库与那些来自患者自身的iPS细胞，观察免疫反应是否存在差异。她表示，很快会向日本政府恢复重启她的黄斑变性临床试验，但未提及具体时间。
细胞层面的改进
虽然细胞治疗已遭受挫折，但iPS促进了其它领域的研究发展。Knoepfler指出，现在细胞重编程的方法比5年前简单、高效得多。
但大多数重编程技术仍然相当低效：只有很小一部分细胞最终能完全重编程。而且，像所有的细胞系一样，iPS细胞在传代过程中也会发生基因变异。因此试验中iPS细胞的控制非常困难。
纽约市洛克菲勒大学（Rockefeller University）的神经科学家Marc Tessier-Lavigne与他在纽约干细胞基金会（New York Stem Cell Foundation）的同事们在研究早发性阿尔茨海默病和额颞叶痴呆病人体细胞转化iPS细胞时，也遇到了这个问题。他们很快意识到，比较患者的iPS细胞与正常人的iPS细胞没有实际意义——培养时，细胞表现差别非常大，可能是因为遗传背景或基因表达的差异而导致的。Tessier-Lavigne 还补充指出，所以他们改用基因编辑。
CRISPR- Cas9基因编辑工具近年来大获成功。研究人员利用该技术往iPS细胞样本中引入疾病相关突变，使其与未经编辑的细胞进行对比。Jaenisch实验室每天使用CRISPR-Cas9 编辑iPS细胞。他指出，他们任意操控细胞。
新的基因编辑方法更为有效。例如，4月，Tessier-Lavigne实验室的 Dominik Paquet和Dylan Kwart使用CRISPR 技术对iPS细胞进行特定点突变，只改变基因的单个拷贝。有了这种技术，他们就能够得到携带阿兹海默症相关突变的多种组合的细胞，从而研究这些组合对细胞的影响。
但由于iPS细胞类似于胚胎细胞，因此它们并没有那么适合研究晚发性疾病，如老年痴呆。因此，研究人员正在探索如何对细胞施加压力，或者引入促进细胞衰老的蛋白质。Tessier-Lavigne表示，这种方法的有效性还有待验证，但一些方法确实有效。
事实上，iPS细胞模仿早期人类发育已经在另一个领域被证实有效——研究齐卡病毒感染对孕妇影响（这种病毒会导致胎儿小头畸形）的试验证实了这一点。Ming等人已经使用iPS细胞诱导产生脑类器官-模仿发育中器官的3D组织。当他们用齐卡病毒感染大脑类器官时发现，病原体优先感染神经干细胞，导致神经干细胞死亡增加，皮质层的神经元数量减少，出现小头畸形的类似情况。
其他研究小组使用iPS细胞诱导产生类器官，如迷你的胆和迷你肝脏。同时，使用iPS细胞得到的疾病相关发现也在不断增加。例如，一项研究使用iPS细胞证实了青光眼中，基因复制导致神经细胞簇的死亡，另一项研究则显示亨廷顿病相关的基因和细胞变化。
iPS细胞在药物发现上也取得了一些成功：它们提供了大量源自病人的细胞进行药物筛选或测试。例如，2012年，来自神经细胞发育疾病的人的神经干细胞被用于筛选近7000个小分子，以寻找潜在的药物。今年，有团队报道，来源于遗传性疼痛障碍患者的体细胞转化的iPS细胞，成功分化成了感觉神经元。研究人员发现，钠阻断化合物降低了神经元的兴奋性，降低了患者的疼痛程度。该研究的负责人、辉瑞神经科学和疼痛研究中心（Pfizer Neuroscience and Pain Research Unit）的研究者Edward Stevens表示，利用iPS细胞来预测人们是否对一个特定药物产生响应非常关键。但这种策略是否真正有效还需更多证据。
即使在细胞重编程问世的10年后，研究人员也不知道具体机制。目前，该领域的重点是通过检查基因组、基因表达模式等，系统地验证细胞系的身份和安全性。总部设立于英国剑桥的欧洲诱导多功能干细胞银行（European Bank for Induced Pluripotent Stem Cells），公开推出用于疾病模型的iPS细胞标准目录。Yamanaka也参与到建立iPS细胞库的项目中，收集各种广泛相容的细胞系。
他指出，未来最大的挑战与科学无关。研究人员需要制药行业和政府的大力支持；而对于药物研发和疾病模型来说，研究者们必须要有耐心、坚持不懈。iPS细胞只能缩短研发时间，不能代替研发。“对于iPS也好，其他新技术也好，都需要大量时间才能走上临床。”（转化医学网360zhyx.com）
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