诱导性多潜能干细胞(iPSC)研究进展

发布日期:2019-07-10 11:28:00浏览次数:283

1.iPS细胞简介    

诱导性多潜能干细胞(induced pluripotent stem cells, iPSC)是2006年日本京都大学Yamanaka和Takahashi将四种转录因子Oct3/4、Sox2、c-Myc和Klf4通过逆转录病毒介导技术导入小鼠胚胎成纤维细胞内而获得的一种多能干细胞,产生的iPS细胞在形态、基因和蛋白表达、表观遗传修饰状态、细胞倍增能力、类胚体和畸形瘤生成能力、分化能力等方面都与胚胎干细胞相似。


2.iPS细胞的建立

2.1建立步骤

①分离和培养宿主细胞;

②通过病毒介导或其他方式将多能性相关基因导入宿主细胞;

③重组细胞植于饲养层细胞上进行培养,并添加相应物质促进重编程;

④对细胞进行检验筛选和鉴定(细胞形态、表观遗传学、体外分化潜能等方面)。


图1 iPS细胞建立的简单过程(摘自网络)

2.2宿主细胞的选择

目前,已对多种体细胞诱导获得iPS细胞,包括成纤维细胞、神经祖细胞、肝细胞、胃肠粘膜上皮细胞、人精原干细胞、头发胶质细胞等。根据体细胞的不同,其诱导方式也有所区别。神经前体细胞和神经干细胞可以高表达内源性的Sox2,利用其诱导iPS细胞时可以不用导入外源Sox2。而用小鼠胃表皮细胞或成熟肝脏细胞诱导产生的iPS细胞肿瘤发生率低于成纤维细胞来源的小鼠,人类原始角质化细胞诱导产生iPS细胞的效率也远远高于人类成纤维细胞。

2.3外源因子的选择

Oct3/4、Sox2、c-Myc和Klf4是最常用的转录因子,可以将人源和鼠源体细胞诱导成iPS细胞,而Nanog和Lin-28是后来发现的另外两个转录因子,也可以成功诱导人源成纤维细胞转变为iPS细胞。以小分子化合物代替基因片段,也可以提高iPS细胞的安全性,如用组蛋白甲基转移酶的抑制剂BIX-01294可以替代Oct4诱导神经干细胞形成iPS细胞。在使用组蛋白乙酰基转移酶抑制剂丙戊酸的情况下,仅需导入Sox2和Oct4两种因子,就可以得到iPS细胞。通过直接导入转录因子编码的蛋白也能获得iPS细胞,并且可避免遗传修饰,提高安全性。

2.4载体的选择

目前,将转录因子导入宿主细胞的方法主要是逆转录病毒法,该方法高效、快速,并且有利于外源基因在靶细胞中的永久表达,但由于是随机整合,有插入突变、激活癌基因的潜在危险。利用腺病毒介导,能够将外源基因以非插入的方法导入细胞,使外源基因游离表达,完全避免了整合病毒或转座子的使用,降低了癌基因被激活的危险,但诱导效率较低。利用脂质体介导,也可以诱导产生iPS细胞,以此培育的嵌合体小鼠没有肿瘤发生,但该方法诱导效率也较低。寻找更为安全有效的载体是目前研究iPS细胞需要解决的主要问题之一。

3.iPS细胞的应用

iPS细胞具有多向分化的潜能,在特定诱导条件下,可以分化为特定的细胞。目前,已成功诱导iPS细胞分化为造血细胞、心肌细胞、成骨细胞、树突细胞、平滑肌细胞、脂肪细胞、运动神经元等多类细胞。iPS细胞与胚胎干细胞(ES)的生物学特性较为相似,又不涉及伦理道德问题,具有重要的临床应用潜能。

①用于自体干细胞的移植和细胞治疗:利用自体成体细胞诱导产生iPS细胞,通过基因打靶技术纠正遗传性缺陷基因,再将其诱导分化为特定的细胞进行移植。如将镰刀形贫血症小鼠的皮肤成纤维细胞建立iPS细胞后诱导分化后,可形成具有正常功能的造血前体细胞,用于治疗贫血、心肌缺血等症。

②用于神经系统疾病的治疗:将小鼠iPS在体外诱导分化成的多巴胺能神经元移植到帕金森病大鼠模型脑内,可有助于大鼠疾病症状的减缓和行为的改善。利用帕金森症患者的皮肤成纤维细胞建立iPS细胞后,将其诱导分化成多巴胺能神经元细胞,进而移植到患者脑内,也有望成为治疗帕金森病的一种方法。

③建立体外疾病模型:在体外利用iPS诱导分化为多种细胞类型,建立相关疾病的模型,可以研究疾病形成的机制、筛选新药以及开发新的治疗方法。

④用于不孕症的治疗:将人iPS细胞体外诱导分化成原始生殖细胞(PGCs),进而将原始生殖细胞分化为卵子和精子,可以解决患者不孕的问题。

⑤研究人类的发育生物学机理:iPS细胞体外分化的拟胚体可模拟胚胎发育的过程,作为组织形成、器官发生、机体发育的研究模型,弥补完整人胚不能用于相关研究的缺陷。借助iPS细胞,利用基因打靶技术、转基因技术等手段也可以进行某些特定基因在形态和功能方面的研究。