科學家把Oct3/4,Sox2、c-Myc和Klf4這四種轉錄因子基因克隆入病毒載體,然後引入細胞中,發現可誘導其發生轉化,產生的細胞在形態、基因和蛋白表達、表觀遺傳修飾狀態、細胞倍增能力、類胚體和畸形瘤生成能力、分化能力等方面都與胚胎幹細胞相似。
於是,科學家把這種與胚胎幹細胞相似功能的「幹細胞」正式命名為「誘導性多能幹細胞」(iPS細胞)。在2006年,日本京都大學Shinya Yamanaka在世界著名學術雜誌《細胞》上率先報導了誘導多能幹細胞的研究。
iPS細胞與胚胎幹細胞
眾所周知,胚胎幹細胞在所有幹細胞中,擁有著獨一無二的地位。胚胎幹細胞是一種高度未分化細胞,它具有發育的全能性,能分化出成體動物的所有組織和器官,包括生殖細胞。
但是同時也面臨一些問題,對於胚胎幹細胞來說,胚胎是人尚未成形時在子宮的生命形式,任何一個胚胎都是有機會發育成完整的個體,進行胚胎幹細胞研究就必須破壞胚胎,這是有反生命倫理的。
誘導多能幹細胞(iPS細胞)擁有與胚胎幹細胞一樣的發育全能性,能分化成任何一種細胞,但沒有胚胎幹細胞面臨的倫理問題,這正是因為iPS技術不使用胚胎細胞或卵細胞。
甚至利用iPS技術可以用病人自己的體細胞製備專有的幹細胞,不會有免疫排斥的問題。
誘導多能幹細胞的首次獲批人體實驗
2014年9月11日英國《自然》雜誌網站訊,日本神戶理化研究所(RIKEN)發育生物學中心的眼科專家首次在人體中使用iPS細胞治療,治療與年齡相關的視網膜退化疾病。這一疾病的病患,會有多餘的血管在眼內形成,讓視網膜色素上皮細胞變得不穩定,導致感光器不斷減少,最終失明。
科學家從罹患這一疾病的患者那兒提取到了皮膚細胞,並將其轉化為iPS細胞,接著,誘導iPS細胞變成視網膜色素上皮細胞,最後將其培育成能被植入受損視網膜內的纖薄層。
與胚胎幹細胞不同,iPS細胞由成體細胞生成,因此,研究人員可以通過遺傳方法為每個受體「量身定製」。iPS細胞能變成身體內的任何細胞,有潛力治療多種疾病,如誘導成胰島細胞可以應用糖尿病。同時,這次的人體試驗首次驗證了iPS細胞在臨床方面的巨大價值。
誘導多能幹細胞的現狀
相比於過去,獲得誘導性多能幹細胞的方法已經被改造得更加精緻、簡易。但是大多數重編程效率都較低:只有一小部分細胞最終實現了重編程。而且,iPS細胞之間也存在差異,這無疑加大了建立生物學實驗的困難。科學家也在研究中發現了更有效率的體細胞重編程新機制。
目前,誘導多能幹細胞在帕金森、先天性耳聾、腎臟疾病、眼系疾病等都有不同程度的研究突破,發展迅速。
誘導多能幹細胞的應用前景
誘導多能幹細胞可以自我更新並可分化成各種類型的體細胞,不僅能誘導成各種細胞替代治療,而且能形成各種組織或器官。雖然目前僅能移植組織,器官的移植離臨床還較遠,但在現有的研究基礎上能做到如角膜移植、皮膚移植等等已經很了不起了。
要想利用iPS細胞培育出真正具有與真實器官同樣結構、體積及功能的人造器官還有很多工作等待探索,這期間挑戰重重。血管化、體積大小等可能是比較好解決的技術問題,真正的瓶頸在於體內功能和移植方法。
器官功能的研究難點包括了空間維度和時間維度等多個層面。例如,從平面的2D到立體的3D,空間複雜性增強了;再如,當研究人員突破了類器官的範疇,培養出接近真實體積的器官時,系統增大或將導致一些反饋相對變慢,時間複雜性也增強了。此外,動物模型選取和相關藥物的篩選也是需要解決的問題。
對於iPS細胞,科技日報有相關研究人員評論說:「目前全球有很多研究人員正在該領域裡攻堅克難。但科學是具備任何可能的,也許再過5—10年,利用iPS細胞培育的器官能夠一定規模地應用到臨床中。」