多能干細胞：潛力、局限和挑戰

干細胞的研究及其在臨床實踐中的應用代表了現代科學中最令人興奮的領域之一。由于其特殊性質，干細胞提供了恢復受損組織和受損器官功能的可能性。胚胎起源的多能細胞以及重新編程的成體細胞具有最大的再生潛力，但也具有最大的腫瘤發展和自身免疫反應的風險。此外，胚胎細胞的使用在倫理上是不可接受的，因為這意味著胚胎的破壞。這篇文章分析了多能干細胞的潛力，同時也分析了科學家目前面臨的局限和挑戰。

自從加拿大科學家Ernest McCulloch和James Till在1960年代初期發現造血細胞能夠治愈血液疾病以來，對干細胞應用的科學但普遍的興趣穩步增長。 

干細胞是人體內的特定細胞，能夠分裂和分化成其他類型的細胞，形成新的組織并恢復受損的功能。干細胞的發現給許多目前無法治愈的疾病帶來了最終治愈的希望。

大量的科學論文為關于干細胞的性質及其功能的新知識做出了貢獻，但同時也提出了許多有待解答的問題。第一個爭議與術語本身有關。蘇聯科學家Alexander Friedenstein分離出在實驗室條件下將細胞祖細胞呈遞給成纖維細胞和其他中胚層折疊細胞的細胞^[1]。Caplan將這些細胞命名為“間充質干細胞”^[2]，但25年后，同一位作者提出了其他名稱“Medicinal Signaling Cells”^[3]。

重命名的主要原因是采用了干細胞旁分泌作用的假??說，而不是在受損組織部位直接轉化為“新細胞”。 

這種先進的知識激發了人們對干細胞的真正潛力、其作用的局限性以及科學面臨的挑戰的思考。

干細胞治療的潛力

干細胞是未分化的細胞，在某些情況下可以分化成所有類型的細胞。這使它們最終能夠再生受損組織并恢復身體的功能[4]它們可以按不同的方式分類（圖1）。

胚胎細胞、嬰兒細胞和成體細胞被認為具有治療效率。最近，與胚胎細胞具有相似特性的重編程成體細胞引起了人們的關注。它們被命名為誘導多能干細胞 (iPSC)。

人類胚胎干細胞 (hESC)

由于它們的多能特性，胚胎來源的細胞可能具有最大的治療潛力。然而，它們的使用是被禁止的，因為分離細胞需要破壞胚胎，此外，還存在排斥和惡性腫瘤的風險^[5]。 

1998年Thompson小組首次從囊胚內層獲得胚胎干細胞^[6,7]。他們使用體外受精卵來獲得細胞。這些多能細胞具有自我更新和增殖到所有胚層的特性。它們可以分化成200多種源自內胚層、外胚層和中胚層的細胞類型 ^[8,9]。

臨床前研究提供了有希望的結果。動物實驗證實，胚胎干細胞移植導致少突膠質細胞祖細胞的形成和脊髓損傷后運動功能的恢復^[10]。2015年報道了hESCs在治療年齡相關性黃斑變性和Stargardt黃斑營養不良方面的成功臨床應用。在22個月后的兩項前瞻性研究中，與對照組相比，大多數患者的視力有所改善。沒有報告明顯的不良反應^[11]。

與胚胎干細胞應用相關的倫理困境仍然是激烈討論的主題，不僅涉及科學家，還涉及立法者、宗教權威和政治家。試圖通過體外受精 (IVF) 使用胚胎來克服該問題。然而，胚胎是否是未來人類的道德困境，即使是在體外產生的，仍然是爭論的主題，并且在不同國家有不同的對待。

誘導多能干細胞 (iPSC)

考慮到上述挑戰，科學家們的研究旨在對成體細胞進行重新編程，使其具有與胚胎細胞相似的特性，但沒有倫理影響或潛在的健康風險。

2006 年，日本科學家Takahashi和Yamanaka通過賦予胚胎細胞特性，成功地對小鼠細胞成纖維細胞進行了重新編程。他們通過添加四個多能性相關基因（即所謂的 Yamanaka 因子）實現了這一點：Oct3/4、SOX2、c-Myc和Klf4。這些細胞被命名為誘導多能細胞 (iPSC) ^[12]。類似的結果在人類身上得到了復制。與此同時，另一組科學家（Thomson’s group）宣布利用不同的因子發明了人類iPSC^[13]。

誘導多能干細胞的主要優勢在于它們可以維持多能性而不會產生倫理后果。它們可用于受損組織的再生，也可用于分析各種疾病的分子變化，以及藥理物質的毒性和其他性質的檢驗。?

可以通過對任何體細胞進行重新編程來獲得iPSC。整個過程可以分為3個階段：

– 細胞的分離和培養，

– 轉染了轉錄因子的細胞，

– 細胞及其擴增分析 (14)（圖2）。

(1)培養的建立：培養源細胞以進一步用作宿主細胞以遞送重編程蛋白。

(2) 然后用 Yamanaka 雞尾酒中的四種因子轉染培養的源細胞，并在合適的培養基條件下在為宿主細胞提供營養并負責形成細胞外基質的飼養層上孵育。可以使用兩種類型的方法將重編程因子遞送到體細胞中——整合病毒載體系統和非整合方法。

(3) iPSCs形成后，通過不同的形態學和理化分析表征，隨后是iPSCs的擴增。

可以通過兩種方式將轉錄因子引入體細胞：通過整合病毒載體系統和非整合系統。集成系統涉及使用通過載體整合到體細胞基因組中的逆轉錄病毒和扁豆病毒^[15]。非整合法涉及使用“非整合物質”，如腺病毒和仙臺病毒、質粒DNA、RNA和蛋白質^[14]。

經證實，用 OCT4、SOX2、KLF4 和 MYC 因子修飾的小鼠成纖維細胞顯示出增殖為膠質細胞和神經祖細胞的趨勢，當注入胚胎皮層時，這些祖細胞遷移并分化為神經膠質細胞和神經元^[16]。

iPSC已在動物研究中用于治療帕金森病^[17]、血小板缺乏癥^[18]、脊髓損傷^[19]、黃斑變性^[20]和許多其他病癥。

2014年在日本理化學研究所對黃斑變性患者進行了首次臨床應用^[21]。在第一位患者中記錄到疾病在沒有顯著不良或免疫反應的情況下減慢。然而，出于安全原因，該研究在另一名患者中停止^[22]。從那時起，已經批準了多項使用同種異體來源的iPSC的臨床研究。大多數正在進行的研究在日本獲得國家批準。這些研究與帕金森病、AMD、嚴重心力衰竭、再生障礙性貧血、脊髓損傷和角膜干細胞缺乏癥有關^[23]。

iPSCs的應用面臨諸多挑戰。使用完整的病毒系統最初產生了不到1%的iPSC。還發現慢病毒和逆轉錄病毒的插入作為整合過程的一部分會導致誘變^[24]。兩個Yamanaka因子c-Myc和Klf4具有多能性但也具有致癌特性^[25]。另一種 Yamanaka 因子 Oct3/4 在胰腺癌、胃癌、口腔鱗狀細胞癌、精原細胞瘤和膀胱癌等不同癌癥的發生發展中也發揮作用^[26-28]。

這些問題中的大多數通過實施“非整合”因素得到解決^[29,30]。使用自??體來源制備iPSC，雖然在免疫學上是安全的，但過程非常緩慢且耗時，無法廣泛應用^[31]。由于供體的HLA系統與受體的不相容性，同種異體來源易發生自身免疫反應。使用免疫抑制劑后會出現不良反應^[32]。存在通過將供體的HLA與大多數人群相匹配來形成細胞庫來解決該問題的嘗試。

結論

對多能干細胞應用的興趣不斷增加，越來越多的已發表研究證實了這一點^[33]。

重新編程成體細胞的可能性開辟了再生受損組織和恢復功能的前景，而不會產生倫理影響。臨床前研究和初步臨床結果令人鼓舞，盡管仍然存在許多阻礙更頻繁臨床應用的挑戰。

它期望選擇最合適的細胞、開發新技術以及更好地了解多能細胞與宿主環境的相互作用將有助于更安全的應用和更好的治療結果。

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