iPS细胞

1. 基本概念

• 定义：诱导多能干细胞（Induced Pluripotent Stem Cells，iPS细胞）是通过人工重编程技术，将已分化的体细胞（如皮肤细胞、血细胞）逆转为类似胚胎干细胞（ES细胞）的多能性状态。

• 核心特性：

  • 多能性：可分化为所有三胚层（外胚层、中胚层、内胚层）的细胞类型。

  • 自我更新：在体外无限增殖，维持未分化状态。

ips细胞

• 2006年：日本科学家山中伸弥（Shinya Yamanaka）团队首次通过导入4个转录因子（Oct4、Sox2、Klf4、c-Myc，合称“山中因子”）将小鼠成纤维细胞重编程为iPS细胞。

• 2007年：人类iPS细胞成功制备，开启再生医学新纪元。

• 2012年：山中伸弥因iPS技术获诺贝尔生理学或医学奖。

来自美国及日本两个研究团队的报告，证实皮肤细胞经过“基因直接重组(direct reprogramming)”后可以转化成为具有胚胎干细胞特性的细胞。这项发现一方面解决了利用胚胎进行干细胞研究的道德争议，另一方面也使得干细胞研究的来源更不受限。分属京都大学及威斯康辛大学麦迪逊分校的两个团队虽然独立研究，但使用的方法几乎完全相同，更巧合的是竟然同时分别被两本期刊审核通过，证明基因直接重组技术的确有效。他们所使用的方式都是利用病毒将四个基因送入皮肤细胞，促使普通的皮肤细胞产生变化，最后成为带有胚胎干细胞性质的细胞，称为诱导式多能性干细胞(iPS)。

ips细胞

IPS细胞是由一些多能遗传基因导入皮肤等细胞中制造而成。让普通体细胞“初始化”，使其具备干细胞功能，这就是“iPS细胞”。“iPS细胞”具有和胚胎干细胞类似的功能.不需要制造胚胎，就可以从任何组织的细胞，甚至皮肤组织的细胞，制造出具有干细胞功能的细胞，那么就不再有伦理问题了，而且简单了不知多少倍。iPS细胞和ES细胞除了不能生成胚胎以外，可以产生所有的细胞，如果用于医疗，那么理论上可以治愈所有疾病——凡是不好的组织都去除，替换为重新生长的正常组织。

ips细胞

IPS细胞是由一些多能遗传基因导入皮肤等细胞中制造而成。在制造过程中，美国研究人员使用了4种遗传基因，同时加入了7种包括可阻碍特定蛋白质合成的物质和酶在内的化合物，以研究其各自的制造效率。研究结果显示，没有添加化合物时，遗传基因的导入效率为0.01％—0.05％，而加入了叫“巴尔普罗酸”的蛋白质合成阻碍剂之后，导入效率竟升至9.6％—14％。如果从这4种遗传基因中排除导致细胞癌化的遗传基因，只使用3种基因，过去的导入效率只有0.001％甚至低，而加入“巴尔普罗酸”之后，其效率也提高了约50倍。研究人员认为，这很可能是因为“巴尔普罗酸”可以促进多能遗传基因的活性。今后，研究人员将就添加化合物是否会使遗传基因产生变异展开研究，以在提高制造效率的同时保证安全性。

• 核心步骤：

  1. 转录因子导入：通过病毒载体（如逆转录病毒、慢病毒）或非整合方法（如mRNA、蛋白质、小分子化合物）递送重编程因子。

  2. 重编程过程：体细胞表观遗传重塑，恢复多能性基因（如Nanog、Oct4）表达。

  3. 筛选与培养：通过形态学（类ES克隆）和多能性标志物（如SSEA-4、Tra-1-60）鉴定iPS细胞。

• 技术优化：

  • 非整合方法：避免病毒载体插入基因组，降低致癌风险（如使用游离型载体或化学小分子）。

  • 单因子重编程：利用特定微环境或小分子替代部分转录因子。

国际权威科学杂志《自然》（Nature）在2009年7月23日在线发表中国科学院动物研究所研究员周琪领导的研究组和上海交通大学医学院教授曾凡一领导的研究组共同完成的一项研究成果，中国科学家首次利用iPS细胞（诱导性多能干细胞），通过四倍体囊胚注射得到存活并具有繁殖能力的小鼠，从而在世界上第一次证明了iPS细胞的全能性。

iPS细胞全称为诱导性多能干细胞，是由体细胞诱导而成的干细胞，具有和胚胎干细胞类似的发育多潜能性。2006年7月，日本科学家首次宣布发现了将小鼠皮肤细胞转化为多能干细胞的方法；2007年11月，美国和日本科学家将人类细胞诱导为iPS细胞，被《科学》（Science）杂志评为2008年世界十大科技进展之首。iPS细胞在生物和医学领域具有广阔的应用前景，有望成为实施再生医学和细胞治疗的重要细胞来源。

2010年7月，巴西圣保罗大学医疗系的科研人员最近取得了利用改造皮肤基因获取诱导多功能干细胞（iPS细胞）的科研成果。科研人员在研究过程中使用了SOX2、C-MYC和另一匿名基因修改人类成人皮肤细胞，成功将其改造成了iPS细胞，并避免了肿瘤的产生。目前该研究小组正在继续努力以揭示出这些细胞拥有的其他特点以及其潜在的治疗功能。
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ips细胞

• 疾病建模与药物筛选：

  • 个性化疾病模型：从患者体细胞生成iPS细胞，分化为疾病相关细胞（如神经元、心肌细胞），用于研究机制及药物测试。

  • 案例：阿尔茨海默病、肌萎缩侧索硬化症（ALS）的体外模型构建。

• 再生医学与细胞治疗：

  • 组织修复：分化为特定功能细胞（如视网膜细胞、心肌细胞、胰岛β细胞）移植治疗退行性疾病。

  • 临床进展：

    • 帕金森病：2018年日本开展首例iPS细胞衍生多巴胺神经前体细胞移植试验。

    • 眼病：iPS来源的视网膜色素上皮细胞治疗老年性黄斑变性（AMD）。

• 毒性测试：iPS分化的肝细胞、心肌细胞用于评估药物安全性。

• 基因编辑结合：利用CRISPR技术修复iPS细胞的基因突变后，移植回患者体内（如镰刀型贫血、杜氏肌营养不良）。

日本京都大学和科学技术振兴机构联合新闻公报说，以前培育ｉＰＳ细胞时，需要依靠逆转录酶病毒或慢病毒将Ｏｃｔ３／４、Ｓｏｘ２、Ｋｌｆ４和ｃ－Ｍｙｃ这４个基因导入体细胞，而使用病毒载体有可能引发肿瘤形成。此外，每次实验前都要制作新的病毒载体，对操作过程和实验室的管理要求很严格，这都阻碍着ｉＰＳ细胞技术的普及。

京都大学山中伸弥教授的研究小组在实验中使用了两个质粒，一个质粒运载“ｃ－Ｍｙｃ”基因，另一个质粒运载Ｏｃｔ３／４、Ｋｌｆ４和Ｓｏｘ２基因，然后把两个质粒同时导入实验鼠胚胎成纤维细胞，成功培育出了ｉＰＳ细胞。进一步的实验证实，用这种方法培养的ｉＰＳ细胞与以往的ｉＰＳ细胞一样能分化生成表皮、横纹肌和神经组织等多种细胞，但转化效率比用逆转录酶病毒为载体要低一些。研究人员说，下一步的目标是提高转化效率，并尝试用新方法把成体鼠和人类的体细胞培育成ｉＰＳ细胞。这项成果将发表在新一期美国《科学》杂志网络版上。ｉＰＳ细胞、胚胎干细胞和成体干细胞因为能分化成多种器官和组织细胞，被称为“万能细胞”。不少研究人员认为，ｉＰＳ细胞不涉及伦理问题，在再生医疗领域具有更广阔的应用前景。

iPS的研究突飞猛进， 有力地证明了iPS细胞具有真正的全能性。这项工作为进一步研究iPS技术在干细胞、发育生物学和再生医学领域的应用提供了技术平台，将iPS细胞研究推进到了一个新的高度，成为中国科学家在这一国际热点研究领域所作出的一项重要贡献。

剑桥大学的研究人员成功地把患者胳膊上的一小块皮肤样本转变成肝细胞，也许不出5年那些重病移植患者就能利用自身的皮肤“长出自己的”肝脏。这项技术经过不断改进，将能产生完整大小的肝脏，每个都与患者完全匹配，不会产生排斥反应。目前英国每年因肝病死亡的人数，比糖尿病和交通事故死亡的总人数还多。每年有多达600人接受肝脏移植，但是很多患者都在等待合适的捐赠人的漫长过程中不幸去世。这一实验包括取下遗传性肝病患者的一小块皮肤样本，然后利用化学混合物把它们变成干细胞，这种“万能细胞(master cells)”可以转变成其他类型的细胞。接着利用特殊方法把干细胞变成肝细胞。实验室培养的肝细胞具有患者疾病的遗传特点。通过与健康细胞进行对比，科学家可以查明它们的致病原因。利用患病细胞还能对数十万种药物进行快速检测，加快寻找新治疗方法的进程，削减一些动物实验。把皮肤细胞转变成肝细胞的技术已经出现很多年，但这是第一次把这项技术成功应用在肝病患者身上。用患者自己的细胞，可排除身体对新器官产生排异反应的风险。

8. 挑战与问题

• 安全性：

  • 致癌风险：重编程因子（如c-Myc）可能激活原癌基因；病毒载体整合导致基因组不稳定。

  • 表观遗传记忆：iPS细胞可能保留供体细胞的表观遗传特征，影响分化倾向。

• 效率与成本：

  • 重编程效率低（通常<1%），需优化培养条件。

  • 自体iPS细胞制备成本高，工业化生产难度大。

• 功能成熟度：

  • 分化的细胞可能未完全成熟（如iPS来源的心肌细胞电生理特性与成体细胞存在差异）。

9. 最新研究进展

• 高效重编程技术：

  • 化学小分子替代部分转录因子（如维生素C、CHIR99021）。

  • 利用microRNA（如miR-302家族）提高重编程效率。

• 无痕重编程：

  • 使用游离型载体（episomal vectors）或RNA递送技术避免基因组整合。

• 直接重编程：

  • 跳过iPS阶段，将体细胞直接转化为目标细胞（如成纤维细胞→神经元）。

• 3D类器官培养：

  • iPS细胞分化为微型器官（如脑类器官、肠类器官），用于模拟复杂疾病。

10. 未来方向

• 临床应用标准化：建立安全、高效的iPS细胞制备和分化流程。

• 通用型iPS细胞库：基于HLA配型建立“超级供体”细胞库，降低免疫排斥风险。

• 人工智能辅助：利用AI预测最佳重编程条件或分化路径。

• 合成生物学整合：设计可控的iPS细胞分化开关，实现精准治疗。

总结

iPS细胞技术突破了胚胎干细胞的伦理限制，为个性化医疗和再生医学提供了革命性工具。尽管面临安全性、效率等挑战，随着技术进步和临床转化加速，iPS细胞有望在疾病治疗、药物开发等领域发挥核心作用。