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(guò)實(shí)驗(yàn)，成功地將小鼠的皮膚細(xì)胞——確切地說(shuō)是成纖維細(xì)胞——轉(zhuǎn)化成了干細(xì)胞。這是科學(xué)家首次獲得誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞，即iPS細(xì)胞。

iPS細(xì)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(rèn)為細(xì)胞的命運(yùn)不可逆轉(zhuǎn)。普通體細(xì)胞不僅可以逆轉(zhuǎn)為干細(xì)胞，而且還可以實(shí)現(xiàn)不同組織間的轉(zhuǎn)分化。其次，它繞過(guò)了胚胎干細(xì)胞的倫理困境，讓很多實(shí)驗(yàn)室都可以重復(fù)這個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，開展多能干細(xì)胞的研究。最后，iPS細(xì)胞還具有很多胚胎干細(xì)胞所不具備的優(yōu)勢(shì)。諸如，將患者自身的iPS細(xì)胞在體外操作后重新植入體內(nèi)，會(huì)大大減少排斥反應(yīng)。如果將患者的體細(xì)胞逆轉(zhuǎn)為iPS細(xì)胞，在體外分化并觀察這個(gè)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，那么就可以實(shí)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(xì)胞在體外擴(kuò)增和分化以后，還可以用作篩選治療該疾病的藥物，或者對(duì)藥物的毒性進(jìn)行檢測(cè)。

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(cè)，要把這些愿景變成現(xiàn)實(shí)，讓iPS細(xì)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(duì)iPS細(xì)胞的產(chǎn)生機(jī)制仍不明確。最初，研究者除了認(rèn)為可能是由導(dǎo)入的4個(gè)基因（分別為Oct3/4、Sox2、c-Myc和Klf4）激活了干細(xì)胞的相關(guān)因子，誘導(dǎo)了細(xì)胞的再編程外，也并不確定是否因?yàn)榉崔D(zhuǎn)錄病毒摻入了細(xì)胞基因組的特定位點(diǎn)而導(dǎo)致再編程，或是在外周成纖維細(xì)胞培養(yǎng)中本身就存在具有未分化特性的祖細(xì)胞，或是細(xì)胞基因組已經(jīng)發(fā)生了不能被染色體核型分析所檢測(cè)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(xì)胞研究的進(jìn)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(duì)其再編程發(fā)生機(jī)制全貌的了解，仍需進(jìn)行大量的研究來(lái)證明。而這一問(wèn)題若無(wú)法解決，研究者們就無(wú)法對(duì)每個(gè)iPS細(xì)胞是否徹底完成了再編程進(jìn)行判斷，也無(wú)法獲得更為高效、安全的手段來(lái)誘導(dǎo)iPS細(xì)胞。因此，iPS細(xì)胞產(chǎn)生機(jī)制的研究，已成為限制iPS細(xì)胞研究發(fā)展及應(yīng)用的最大瓶頸，也必將成為未來(lái)iPS細(xì)胞研究領(lǐng)域重點(diǎn)突破的科學(xué)難題。

安全性問(wèn)題是阻礙iPS細(xì)胞走向應(yīng)用領(lǐng)域的另一個(gè)重大問(wèn)題。早期的iPS細(xì)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(xì)胞基因組并導(dǎo)致腫瘤的問(wèn)題，因此在安全性上難以滿足實(shí)際需要。當(dāng)前很多技術(shù)上的改進(jìn)，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(gè)基因中的c-Myc具有明確的致腫瘤作用。實(shí)驗(yàn)證明，導(dǎo)入c-Myc生成iPS細(xì)胞的人工嵌合體小鼠中有50%都會(huì)發(fā)生腫瘤。同時(shí)，僅僅導(dǎo)入其它3個(gè)基因同樣也存在一定的腫瘤發(fā)生率。如何改進(jìn)并研究出新的低致瘤性的誘導(dǎo)方法、提高iPS細(xì)胞的安全性，是未來(lái)iPS細(xì)胞研究中的重點(diǎn)與難點(diǎn)之一。

當(dāng)今的iPS細(xì)胞研究尚屬于實(shí)驗(yàn)探索的階段。在實(shí)驗(yàn)中，從開始誘導(dǎo)iPS細(xì)胞到建立穩(wěn)定的iPS細(xì)胞克隆，所需要的時(shí)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(shuō)1萬(wàn)個(gè)細(xì)胞中能被成功再編程，并誘導(dǎo)成為干細(xì)胞的不超過(guò)1～2個(gè)。

如果單純從科研的角度而言，這種效率已經(jīng)足夠高了，因?yàn)閱渭円淮螌?shí)驗(yàn)就可以獲得數(shù)個(gè)克隆的iPS細(xì)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(xì)胞，以及臨床治療的時(shí)效性時(shí)，這樣的速度和效率是遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(shí)間。

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

iPS細(xì)胞像胚胎干細(xì)胞那樣，能無(wú)限分裂，也能形成三個(gè)胚層。但不同于胚胎干細(xì)胞的是，iPS細(xì)胞曾經(jīng)是已經(jīng)分化的細(xì)胞，如皮膚細(xì)胞或肌肉細(xì)胞。那么，它們?nèi)跃哂羞^(guò)去某些遺傳或細(xì)胞意義上的“記憶”嗎？近年來(lái)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(xì)胞保持了一些表觀遺傳標(biāo)記，在原先已分化的細(xì)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(xì)胞與胚胎干細(xì)胞毫無(wú)差異。理論上來(lái)說(shuō)，將干細(xì)胞移植到患者體內(nèi)的預(yù)期用途很多，但是在運(yùn)用iPS細(xì)胞的治療過(guò)程中，致癌基因帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)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(xiǎn)將會(huì)降低。目前最理想的方案是，從根本上避免進(jìn)行細(xì)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(xì)胞，引發(fā)細(xì)胞的再分化，從而形成所需的細(xì)胞呢？最近科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，已經(jīng)分化的細(xì)胞可以直接轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N類型的細(xì)胞。這個(gè)被稱為“轉(zhuǎn)分化”的過(guò)程，吸引了很多科學(xué)家對(duì)此展開研究。但是科學(xué)家仍然不能確定，細(xì)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(guò)一個(gè)低分化的階段。由此可見，要想把這些細(xì)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(xì)胞應(yīng)用于臨床實(shí)踐還有一段漫長(zhǎng)的征途。但是相信隨著相關(guān)研究的不斷深入，iPS細(xì)胞因其所具有的在自體細(xì)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(shì)，在臨床應(yīng)用的前景是廣闊的，必將給醫(yī)學(xué)界帶來(lái)新的希望。