2016年5月8日/生物谷BIOON/--誘導性多能幹細胞（induced pluripotent stem cells, iPS細胞, 也縮寫為iPSC）最初是日本科學家山中伸彌（Shinya Yamanaka）於2006年利用病毒載體將四個轉錄因子---Oct4, Sox2, Klf4 和c-Myc--導入到小鼠小鼠胚胎或皮膚纖維母細胞中，使其重編程而得到的類似胚胎幹細胞的一種幹細胞類型，產生的iPS幹細胞在形態、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、分化能力等都與胚胎幹細胞極為相似。隨後世界各地不同科學家陸續發現其它方法同樣也可以製造這種iPS細胞。
2007年11月20日，美國威斯康星大學詹姆斯-湯姆森的研究小組在《科學》雜誌發表利用慢病毒載體將Oct4、Sox2加Nanog和LIN28這種因子導入到人皮膚細胞中，而使得它們轉變成iPS細胞，而日本京都大學教授山中申彌領導的研究小組也於同日在《細胞》雜誌發表類似的研究結果：利用逆轉錄病毒將Oct3/4、Sox2、c-Myc和Klf4四種因子導入到人皮膚細胞中，而使得它們轉變成iPS細胞。
相比於胚胎幹細胞，iPS細胞不會產生倫理問題，而且利用宿主自身的成體細胞（如皮膚細胞、血細胞等）經重編程變成iPS細胞，將它們移植回相同個體，應該有可能不會引發免疫反應，此外iPS細胞非常適合用來構建疾病模型，不過將iPS細胞用於治療時也有風險：讓iPS細胞移植到體內時有可能會產生腫瘤。
近期幾篇關於iPS細胞的研究涉及它們是否存在導致癌症的突變，比如研究人員採用三種流行的iPS細胞製造方法---整合性逆轉錄病毒載體，非整合性仙臺病毒和人工合成mRNA---製造iPS細胞，發現它們沒有產生顯著的致癌性突變；另外，研究人員利用血細胞製造出iPS細胞，發現iPS細胞中產生的突變比用來製造它們的血細胞少10倍，而且在這些iPS細胞發生的基因突變中，沒有一種突變存在於已知導致癌症的基因中。然而，也有研究人員認為不應當只考慮iPS細胞的細胞核基因組是否發生有害的突變，還應考慮它們的線粒體基因組是否也發生不好的突變，這是因為他們發現iPS細胞含有存在缺陷的線粒體DNA，而且這種線粒體DNA缺陷與用來製造iPS細胞的成體細胞年齡相關聯。另外一項研究發現，iPS細胞質量除了與成體細胞年齡相關聯外，還與成體細胞的來源位置相關聯。
1. Cell Metab：科學家找到人類多能幹細胞的「命門」 有助解決幹細胞治療成瘤問題
近日，國際學術期刊Cell Metabolism在線發表了日本慶應大學醫學院的一項最新研究進展，他們發現人類多能幹細胞（hPSC）在缺乏葡萄糖和穀氨醯胺的情況下無法生存，由於hPSC存在特殊的基因表達模式，因此無法有效利用丙酮酸。這項研究對於清除幹細胞治療過程中殘存的未分化幹細胞，防止腫瘤形成具有重要意義。
之前研究發現，人類多能幹細胞依賴有氧糖酵解產生ATP，但是在ATP合成過程中氧化磷酸化的主要能量來源以及重要性並沒有得到完全闡明。
在經過詳細的胺基酸分析之後，研究人員發現穀氨醯胺對於hPSC的存活必不可少。在葡萄糖和穀氨醯胺匱乏的情況下，hPSC會因為缺少ATP而發生快速死亡。隨後研究人員又進行了代謝組學分析，結果表明hPSC對丙酮酸的利用能力很差，穀氨醯胺是氧化磷酸化的主要能量來源。hPSC無法有效利用丙酮酸合成ATP的主要原因在於hPSC內順烏頭酸酶2（ACO2）和異檸檬酸脫氫酶2/3（IDH2/3）的表達水平非常低，幾乎可忽略不計，而ATP-檸檬酸裂合酶的表達水平非常高，因此hPSC無法利用丙酮酸來源的檸檬酸。
除此之外，研究人員還發現雖然分化之後攜帶成熟線粒體的心肌細胞在沒有葡萄糖和穀氨醯胺的情況下也無法存活，但它們能夠使用乳酸用以產生丙酮酸和穀氨酸為細胞提供能量。（Cell Metabolism, doi:10.1016/j.cmet.2016.03.001 ）
2. Cell Stem Cell：線粒體DNA突變潛藏於人誘導性多能幹細胞中
在一項新的研究中，美國俄勒岡健康與科學大學（OHSU）胚胎細胞與基因治療中心主任Shoukhrat Mitalipov博士及其研究團隊首次證實一個存在已久的假設：當變老時，基因突變積累在人們的線粒體（即細胞能量工廠）中。
研究人員發現作為一類對病人的皮膚細胞或血細胞進行重編程而產生的幹細胞，誘導性多能幹細胞（iPS細胞）含有存在缺陷的線粒體DNA。相關研究結果於2016年4月14日在線發表在Cell Stem Cell期刊上，論文標題為「Age-Related Accumulation of Somatic Mitochondrial DNA Mutations in Adult-Derived Human iPSCs」。論文通信作者為Shoukhrat Mitalipov和Taosheng Huang。
Mitalipov說，「人們長期以來認為我們的線粒體DNA中的致病性突變是衰老和年齡相關性疾病的一種驅動力，不過一直都缺乏明確的證據。如今，利用這項研究中的證據，我們知道我們必須篩選iPS細胞中發生的突變，或者在年齡更為年輕時收集人體細胞製造iPS細胞，從而確保它們的線粒體基因是健康的。這種對細胞在自然衰老過程中如何遭受損傷的基本了解可能有助消除發生基因突變的線粒體在退化性疾病中發揮的作用。」
基於幹細胞的潛在療法有巨大的希望用於治療人類疾病。然而，線粒體缺陷可能能夠破壞iPS細胞修復受損組織或器官的能力。為了避免損害iPS細胞的治療價值，Mitalipov和同事們建議對這些細胞進行線粒體DNA突變篩選。（Cell Stem Cell, doi:10.1016/j.stem.2016.02.005）
3. PLoS Genet：誘導性多能幹細胞不會產生導致癌症的基因突變
在一項新的研究中，來自英國劍橋大學韋爾科姆基金會桑格研究所（Wellcome Trust Sanger Institute）等機構的研究人員利用血細胞製造出誘導性多能幹細胞（iPS細胞），而且不會在這種幹細胞中引入隨後可能導致癌症產生的基因變化。相關研究結果於2016年4月7日發表在PLoS Genetics期刊上，論文標題為「Mutational History of a Human Cell Lineage from Somatic to Induced Pluripotent Stem Cells」。
這一發現對正在找出方法將iPS細胞用於再生醫學的科學家們而言是一大鼓舞。iPS細胞是對健康的體細胞進行重編程而製造出的一種幹細胞類型。 當人從胚胎長成小孩、成年人以及變老時，人體內的細胞產生許多微小的基因突變。大多數基因突變不會產生影響，但是一些突變能夠導致癌症。研究人員追蹤了這種捐獻的血細胞和由它產生的iPS細胞的基因變化歷程。
這些研究結果揭示出iPS細胞中產生的基因突變比他們在實驗室培養的血細胞少了10倍，而且在這些iPS細胞發生的基因突變中，沒有一種突變存在於已知導致癌症的基因中。（PLoS Genetics, doi:10.1371/journal.pgen.1005932）
4. PLos Genet：製造幹細胞時需要考慮來源細胞的位置和年齡
在一項新的研究中，來自美國Lieber腦發育研究所（Lieber Institute for Brain Development, LIBD）的Andrew E. Jaffe博士及其研究小組研究了在個人化醫療領域持續獲得關注的幾種人細胞的分子差異，他們的研究結果於2016年2月25日發表在PLoS Genetics期刊上，論文標題為「Strong Components of Epigenetic Memory in Cultured Human Fibroblasts Related to Site of Origin and Donor Age」。這項研究提示著用於產生新組織和器官的人類細胞來源可能是進行個人化醫療時的一個重要的考慮因素。
在全世界，人們正在將大量的資金投資於個人化醫療，重點投入開發用於產生新組織和器官的幹細胞系。專家們主要依賴皮膚樣品作為他們的細胞來源，這是因為皮膚細胞能夠在體外培養中生長，而且在實驗室中也相對容易獲取它們和將它們重編程為誘導性多能幹細胞（iPSCs）。隨著發展勢頭和投資持續，Jaffe博士和及其研究小組發現當產生 病人特異性的幹細胞系時，病人細胞樣品的來源位置和年齡是重要的考慮因素。
產生病人特異性的幹細胞的最為常用的細胞是源自皮膚的細胞，而且它們潛在地接受了最高的環境暴露。LIBD研究人員比較了來自死後大腦硬腦膜（dura mater）的成纖維細胞和來自同一些人皮膚樣品的成纖維細胞。儘管這些細胞在顯微鏡看起來是相同的，但是這項研究鑑定出廣泛的表觀遺傳差異和基因表達差異，這提示著這些細胞對它們在體內的原始位置保持著強大的表觀遺傳記憶。此外，研究人員發現這些細胞的原始位置也與供者的年齡顯著相關聯。Jaffe博士注意到，「據我們所知，這是首次證實由這些原始的細胞經過多次細胞分裂產生的純細胞群體發生顯著性的年齡相關變化。」
這項研究的結果證實來自硬腦膜的和來自皮膚樣品的成纖維細胞在一生當中存在顯著的差異。隨著個人化醫療持續發展，這一發現進一步證實還需研究用於再生新組織和器官的幹細胞的表觀遺傳模式。另外，當製造iPSCs時，還需進一步研究確定需要培養哪些細胞和何時培養它們，以便確認實際上有多少表觀遺傳記憶被清除。（PLoS Genetics, doi:10.1371/journal.pgen.1005819）
5. Nat Commun：三種幹細胞製造技術被證安全
在一項新的研究中，來自美國斯克裡普斯研究所（The Scripps Research Institute, TSRI）和克雷格文特爾研究所（J. Craig Venter Institute, JCVI）等多家機構的研究人員證實製造臨床使用的多能幹細胞的方法不可能將致癌基因突變傳遞給患者。相關研究結果於2016年2月19日發表在Nature Communications期刊上，論文標題為「Whole-genome mutational burden analysis of three pluripotency induction methods」。這項研究是評估快速發展中的幹細胞療法對病人安全性的重要一步。
這項新的研究著重關注在病人體內使用誘導性多能幹細胞（iPSCs）的安全性。因為iPSCs能夠分化成體內任何一種類型的細胞，它們有潛力修復因擦傷或諸如帕金森病和多發性硬化症之類的疾病帶來的損傷。
為了製造出iPSCs，科學家們必須對諸如皮膚細胞之類的成體細胞進行重編程讓它們表達一套不同的基因，這可通過使用作為運輸載體的病毒或信使RNA（mRNA）分子來實現。
研究人員研究了三種流行的iPSCs製造方法：整合性逆轉錄病毒載體，非整合性仙臺病毒和人工合成mRNA，評估了每種方法觸發致癌基因突變的潛力。雖然研究人員在iPSCs中注意到一些小的變動，但是這些方法中沒有一種導致顯著性的突變。他們對這些實驗再重複了兩次，結果再次沒有發現顯著風險。
不過這些研究人員確實發出提醒：儘管iPSCs在重編程過程中未獲得致癌基因突變，但是潛在有害的突變能夠在iPSCs隨後的實驗室增殖中積累。Loring說，科學家們在將他們的細胞用於臨床治療之前必須分析是否存在這些有害突變。（Nature Communications, doi:10.1038/ncomms10536）
6. The Lancet：首次報導人類胚胎幹細胞治療疾病的安全性及有效性
近日，刊登在國際雜誌The Lancet上的一篇研究論文中，來自美國先進細胞技術公司的首席科學家Robert Lanza教授揭示了人類胚胎幹細胞（hESCs）在治療人類疾病領域中從中期到長期都具有一定的安全性。
文章中，研究者表示，在hESCs移植入18位患有不同形式的黃斑變性患者機體中三年後hESCs移植療法依然具有一定的安全性，而且這種幹細胞移植技術可以使得超過一般的患者恢復部分視力。胚胎幹細胞具有分化為機體任何類型細胞的能力，但是如果將其移植入機體中就會發生引發很多問題，比如畸胎瘤形成的風險及免疫排斥等問題。
在兩個1/2階段的研究中，研究人員使hESCs分化成為視網膜色素上皮細胞，並且將其移植入9位患斯塔加德黃斑營養不良症的患者及9位幹萎縮性年齡相關的黃斑變性患者機體中，目前針對上述疾病並無有效的治療手段，這些患者眼部的視網膜中的光感受器會變性最終引發患者完全失明。
文章中，所有的參與者都被注射了三種不同劑量視網膜細胞中的一種，即5萬、10萬及15萬個視網膜細胞，這些視網膜細胞被注射到了患者的眼睛患處的視網膜下間隙。研究者Steven Schwartz教授表示，我們的研究結果揭示了hESCs在治療人類眼部退行性疾病上的潛力及安全性，也為我們後期利用hESCs進行更多人類疾病的治療提供了更多的幫助和研究思路。（The Lancet, doi:10.1016/S0140-6736(14)61376-3）
7. Cell Stem Cell：幹細胞用於再生醫學可能是安全的
劍橋大學研究人員發現了迄今為止最有力的證據，表明人類多能幹細胞（human pluripotent stem cells）被移植入胚胎後將正常發育。這些研究結果2015年12月17日發表於《Cell Stem Cell》期刊，對再生醫學具有重要意義。
人類多能幹細胞(hPSC) 在成年人的身體中可以發展成為任何類型的細胞， 它對心血管到阿爾茨海默氏症的疾病建模中進行的藥物研發和創造替代細胞提供了巨大的潛力。
但這樣會有風險：移植hPSCs也可能發展成為腫瘤。2015年11月10日發布的一項新的研究結果表明，新的「祖細胞能無限擴張和分化成成熟的腎臟細胞，但沒有形成腫瘤的風險。」
Karl Willert博士說， 「這項工作在組織工程或重建功能器官中起到很好的補充作用，如我們所看到的微型腎，它代表了一種新型的細胞來源。」
Willert設計了一種體外微環境，該環境可使早期胚胎發育的三個主要胚芽層之一的中胚層祖細胞hPSC同質擴張。胚芽層是一種在胚胎發生的主要層細胞。早期祖細胞是幹細胞的後代，分化能力有限。
用於再生醫學或生物醫學研究的人類多能幹細胞主要有兩個來源：胚胎幹細胞和誘導多能幹細胞。人類多能幹細胞被視為有希望被療法性用於再生醫學，治療影響各種器官和組織的毀滅性疾病，尤其是那些再生能力比較差，比如心臟、大腦和胰腺等臟器中的疾病。
不過，有些科學家一直擔心這些細胞可能無法適當地融入身體，因而不能按照要求增殖和分布，導致腫瘤。最新的這項研究表明，這種情況不會發生，這些幹細胞在被適當地移植時，用於再生醫學可能是安全的。
劍橋大學Anne McLaren再生醫學實驗室教授Roger Pedersen在評論共同作者Victoria Mascetti的研究發現時表示：「我們的研究提供了強有力的證據，表明人類幹細胞將以正常而安全的方式發育。這可能是再生醫學領域一直在等待的消息。」（Cell Stem Cell, doi:10.1016/j.stem.2015.11.017）
8.誘導多能幹細胞人體試驗在全球科學界激起波瀾
「這是令人敬畏的、瘋狂的，我非常激動，我一直在等待它的到來。」美國加利福尼亞州拉荷亞斯克利普斯研究所幹細胞生物學家Jeanne Loring說。她是全世界歡迎幹細胞療法新消息的幾位研究人員中的一位——存在視覺缺陷的一位日本女性成為接受誘導多能幹（iPS）細胞療法的第一人。
如果該過程被證明是安全的，它可以軟化其他國家對iPS細胞人體試驗的管理態度，並將為治療帕金森氏病和糖尿病等其他疾病鋪平道路。它還將鞏固飽受幹細胞醜聞困擾的日本的iPS細胞研究領跑者的地位。
儘管如此，人們對iPS細胞製備的組織也有擔憂，這可能阻止各國批准臨床試驗。身體裡的免疫系統將會攻擊它們，或者它們之中仍包含一些處於可塑狀態的細胞，並導致癌症性生長，儘管Loring指出，這種情況並沒有在胚胎幹細胞療法人體試驗中發生——人們也曾對該細胞有類似的擔憂。
2013年7月，日本管理機構批准理化學研究所（RIKEN）發育生物學中心（CDB）眼科醫生Masayo Takahashi領銜的研究小組收集細胞用於臨床iPS細胞初步研究。
她的研究團隊提取了上述患者的皮膚細胞，這位現年70歲的女性因老年性黃斑變性而出現視網膜損傷。之後，研究人員重新改編了皮膚細胞，使其成為iPS細胞，並誘導這些細胞變成視網膜組織。9月8日，Takahashi提供證據顯示，這些細胞具有遺傳穩定性和安全性——這是它們能被移植入眼睛的先決條件。手術在4天後進行，RIKEN報告稱患者沒有出現不良反應。
不過，在該實驗中，這位女性患者的視力不太可能改善。但全世界的研究人員都在觀望這些細胞能否阻止視網膜進一步退化，以及是否出現副作用。如果該患者經歷嚴重後果，iPS細胞研究將後退數年，正如基因療法經歷的那樣：1999年，一位患者在利用改編基因修正一種肝病的試驗中死亡。「這讓我在夜裡輾轉反側。」Loring說。
但如果Takahashi的試驗能成功，這將對FDA和歐洲藥品局等管理機構釋放出一個強有力的信號。「假如Masayo能證明這些細胞對患者而言是安全的，將能緩解對新細胞類型的焦慮。」馬裡蘭州貝塞斯達國立眼科研究所發育分子生物學家Kapil Bharti說。Bharti正在領銜國立衛生研究院（NIH）開發針對黃斑變性的iPS細胞療法的研究。該療法與Takahashi使用的方法類似。他希望能在2017年獲得FDA批准，進行臨床試驗。
9.誘導多能幹細胞（iPSc）發展面臨的幾個問題
自2006年問世以來，誘導多能幹細胞（iPSc）的發展可謂一路高歌，相關論文層出不窮，然而，就在其高歌猛進之際，卻傳來了不和諧的聲音。最近，不斷有科學家撰文指出其發展過程中可能會遇到幾隻「攔路虎」，誘導多能幹細胞開始遭遇「成長煩惱」。
在科學發展史上，5年不過一瞬間，但是，希望通過重組成人細胞以徹底革新再生醫學的美好願景從概念的提出到現在幾乎成為現實也不過5年。2006年8月，日本東京大學的科學家山中伸彌首次利用病毒載體將四個轉錄因子（Oct4、Sox2、Klf4和Myc）的組合轉入老鼠分化的體細胞中，使其重新編程而得到了類似胚胎幹細胞的一種細胞類型——誘導多能幹細胞，其可以變成任何類型的細胞。第二年，山中伸彌使用人類皮膚重複了該實驗並取得了成功。
誘導多能幹細胞擁有明顯的優勢：它們可使用成人的細胞製成，不需要人類的胚胎，避免利用人類胚胎製造多功能幹細胞飽受的爭議；誘導多能幹細胞可用從罹患某種疾病的患者身上提取的組織或細胞製成，這樣，科學家們就可以根據該病人的基因，「量體裁衣」地為其設計治療方案。
科學家們認為，這種通過將完全分化的體細胞重編程，不經胚胎階段而直接逆轉至多功能幹細胞狀態的誘導多能幹細胞，在再生醫學領域擁有重要的應用潛力，在藥物篩選方面也將「大展拳腳」。
然而，過去幾個月內，不斷有科學家發表論文指出，其最新研究成果表明，誘導多能幹細胞的發展遇到了幾隻「攔路虎」。首先，細胞重組的效率可能很低，或許還會誘發基因變異；其次，經過重組的細胞也無法發育成任何類型的細胞；此外，誘導多能幹細胞製造出的細胞並非都可以用於治療疾病等等。
實驗中，新問題也逐漸浮現出來。科學家近日發表的研究結果表明：當將使用某些老鼠的細胞製成的誘導多能幹細胞移植入其他基因組成相同的老鼠體內時，產生了免疫反應，這就提出了一個問題——是否能將誘導多能幹細胞製造出的身體組織注入為其製造提供原材料的人體內？
沒有人懷疑誘導多能幹細胞擁有的巨大潛力，但是，該領域的很多專家最初懷抱的樂觀現在已開始慢慢降溫。
從一開始，生物學家就試圖設計出比山中伸彌的方法更安全、更有效的方法來製造誘導多能幹細胞。山中伸彌使用一個逆轉錄酶病毒將四個基因重組因子遞入細胞中。逆轉錄酶病毒會整合進入一個宿主細胞的DNA（脫氧核糖核酸）中，因此，其會潛在地中斷基因表達並誘發癌症；而且，編程因子Myc本身就是一個會引發癌症的致癌基因。
儘管新的、「經過改進的」重組方法似乎層出不窮，但迄今為止，山中伸彌的逆轉錄酶病毒方法仍然是最有效以及使用最廣的。其能將0.01%的人體皮膚細胞經過重組轉化為誘導多能幹細胞。相反，並不會被整合入基因組中的腺病毒只能將0.0001%到0.0018%的皮膚細胞轉化為誘導多能幹細胞。轉化效率低下增加了使用各種細胞製造誘導多能幹細胞的成本和難度，尤其是當某些細胞來源比較少時，難度和成本更高。
研究人員也曾經嘗試過讓Myc消失，或者一旦重組完成就使其沉默或將其從細胞中剔除，但這些措施同時也降低了重組效率，而且，被沉默的Myc也可能被重新激活。
這些已經成為該領域的科學家現在著手解決的主要問題。科學家們絞盡腦汁地在對他們的重組方案進行修修補補，試圖找到最有效而且也不會增加癌症風險的因子和遞送手段。
今年4月，美國賓夕法尼亞大學醫學院醫學、細胞和發育生物學教授兼再生醫學研究所科學主管愛德華·莫裡西領導的科研團隊報告稱，他們首次繞開四個轉錄因子生成了誘導多能幹細胞，並將重編程效率提高了100倍。在採用微RNA（microRNA）替代四個關鍵的轉錄因子之前，研究人員每重組10萬個成體細胞只能獲得不到20個的極少數誘導多能幹細胞。在最新研究中，科學家們利用微RNA新技術誘導10萬個人類成體細胞，生成了大約1萬個誘導多能幹細胞。
美國加州斯克利普斯研究所的發育神經生物學家詹納·婁倫表示：「對我們來說，讓這些新的重組方法很好地工作，以使我們能查看其在細胞的穩定性和致癌風險方面是否與之前的方法有所不同非常重要，還沒有人做過類似的嘗試，還需要很長時間不斷將這些研究推進。」（生物谷 Bioon.com）
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