直接細胞重編程：它是什么以及它如何工作？

過去十年來，干細胞療法的開發取得了巨大的進展，這些療法依賴于干細胞分化方案以及直接細胞重編程技術。如今，ClinicalTrials.gov上注冊的干細胞試驗超過6,880項，近年來出版物數量急劇增加，這表明科學界的興趣迅速增長。

然而，盡管干細胞前景廣闊，但尚未發揮這種治療潛力，而且這種失敗的出現是由于仍需克服的各種技術挑戰。

在本文中：

• 直接重編程的起源
• 全能、多能和多能
• iPS細胞：治療潛力有限
• 自體多能干細胞的直接重編程
• 直接細胞重編程：體外與體內
• 自體重編程細胞比同種異體細胞更好
• 直接細胞重編程的未來：Fortuna Fix和Mogrify

直接重編程的起源

為了解釋直接重編程，我們需要回到開頭。

細胞是所有生物體的基本組成部分，人體由數萬億個細胞組成。它們為身體提供結構，從食物中吸收營養，將這些營養轉化為能量，并執行專門的功能。這些功能由特定細胞中表達的基因決定。

體內的所有細胞都含有相同的基因（約22,000個），但只有某些基因在每個特定細胞中“表達”，從而產生決定該細胞功能的蛋白質。

一組不同的細胞一起工作以實現某種功能構成組織（例如，神經元-星形膠質細胞-少突膠質細胞協同工作構成神經元組織）。一組共同工作以實現身體功能的組織構成了一個器官（例如，大腦或脊髓）。最后，一組協調一致的器官重新組合成一個系統（例如，大腦和脊髓構成中樞神經系統）。

如果細胞構成組織、器官和系統，那么什么構成細胞呢？

發育階段：全能、多能和專能細胞

在人類生命之初，當精子與卵子受精時， 全能細胞從受精卵中誕生。它們具有變成任何東西（胎盤和胚胎）的能力 ，并以這種形式存在直至16細胞階段（即，在受精后的前幾次細胞分裂內，直至受精后4天）。在全能性的這個階段之后，隨著細胞數量的增加，多能細胞出現。

多能細胞保留產生胚胎任何細胞的能力（胚胎干細胞是多能的），但失去了成為胎盤的能力。

受精后3周后，多能細胞開始將自身組織成3個胚層（外胚層、中胚層和內胚層），并逐漸分化為更明確的狀態。自從山中伸彌能夠將“成熟”成纖維細胞（皮膚細胞）重新編程為多能干細胞（誘導多能干細胞或 iPS 細胞）以來，多能干細胞引起了極大的關注。這項開創性工作使山中伸彌于2012年獲得諾貝爾醫學獎。

然而，由于iPS細胞的安全性較差，大多數科學研究人員放棄了iPS細胞作為候選治療藥物。（它們回到多能狀態，除了所需的組織外，還會形成不需要的畸胎瘤，這是一種快速生長的腫瘤，含有所有三個胚層的細胞）。事實上，人們已經付出了巨大的努力來嘗試將這些iPS細胞分化為安全且有效的治療細胞候選物的多能干細胞。

多能干細胞是從三個胚層之一分化而來的特化干細胞，但僅限于特定譜系。每種類型的多能干細胞都會產生其譜系的特化體細胞：例如，神經干細胞是起源于外胚層胚層的多能干細胞，是唯一能夠產生神經元、星形膠質細胞的多能干細胞和少突膠質細胞（以及神經元組織），并且不具有形成任何其他組織的能力。

iPS細胞：治療潛力受到安全性、效力和成本的限制

iPS 細胞有望成為再生醫學的福音。研究人員可以將人的皮膚、血液或其他細胞重新編程為 iPS 細胞，然后用它們來培養肝細胞、神經元或治療疾病所需的任何細胞。這種個性化療法將規避免疫排斥的風險，并回避使用胚胎和胎兒細胞的倫理問題。

不幸的是，現實卻大不相同。事實證明，以可用于臨床目的的規模生產自體iPS細胞衍生的多能干細胞是非常困難、耗時且昂貴的。唯一一項使用自體iPS細胞多能干細胞的臨床試驗因僅一人接受治療而于2015年停止。當實驗室準備治療第二位試驗參與者時，山中伸彌的團隊在患者的iPS細胞和源自其的視網膜色素上皮 (RPE) 細胞中發現了兩個小的基因變化。

沒有證據表明這兩種突變與腫瘤形成有關，但“為了安全起見”，試驗被擱置。2016年6月，試驗重新開始，但轉為同種異體細胞，而不是自體細胞，大概是出于成本和時間效率以及安全性的考慮。因此，自發現iPS細胞10年后，iPS細胞不再被視為治療細胞候選物的關鍵來源。它們已成為建模和研究人類疾病以及篩選藥物的重要工具。

iPS細胞已成為實驗室的主力——為研究提供無限量的曾經無法接觸到的帶有特定基因突變的人體組織。 

自體多能干細胞的直接重編程

如今，自體多能干細胞療法被許多人視為再生和替換器官中受損、丟失或老化細胞的“圣杯”。骨髓和脂肪干細胞是替代骨、軟骨和脂肪細胞的有效治療性多能干細胞。然而，它們沒有能力替換其他器官中的細胞，因為其他器官中的細胞來自其他譜系。

直接細胞重編程的獨特設計使患者的細胞能夠直接“跳轉”到所選的專門多能干細胞，從而定制修復受損或患病器官所需的自體多能干細胞。

直接細胞重編程不是從患者細胞中制造多能干細胞并在較長時間內將其分化為多能干細胞，而是直接產生所選的特化多能干細胞，解決了與iPS相關的安全性、高成本和時間限制細胞。

簡而言之，直接細胞重編程被定義為在體外（實驗室）將體細胞重編程為其他細胞類型，而不需要中間多能狀態。

直接細胞重編程的另一個術語是轉分化，即一種分化細胞類型直接轉化為另一種細胞類型。該過程不需要創建中間多能狀態或祖細胞。

直接細胞重編程|體外與體內

直接細胞重編程的主要方法是根據  適應癥或疾病（即神經系統疾病），將從可獲取來源（血液、皮膚或骨髓）收獲的體細胞體外重編程為選擇的專門多能干細胞類型。用于治療中樞神經系統疾病的干細胞、用于治療心臟病的心臟干細胞等）。這種方法依賴于使用轉錄因子和染色質重塑劑來永久改變細胞的表達模式，將它們鎖定在新的多能干細胞選擇狀態中。

這種方法最終臨床成功的關鍵包括選擇最相關的細胞亞型進行重編程，避免使用基因操作或病毒載體來改變基因表達模式，并實現穩定的重編程。

正在研究的第二種方法（化學誘導的直接重編程）依賴于在體內使用小分子  （直接在患者體內給藥）來誘導細胞譜系重編程。這樣的策略可能具有成本效益并且聽起來很有吸引力。然而，將小分子藥物全身注射到特定細胞/組織（而不影響其他細胞或身體部位）仍需要很多年的時間。

即使制藥公司經過數十年的研究，靶向藥物輸送仍然是該行業的一個關鍵問題。因此， 在體內 ，這種方法會引起重大的安全問題，因為這些藥物可能會產生廣泛的影響（例如，將體內的許多或大部分細胞變成神經元）。

直接重編程的多能干細胞注定是譜系限制性干細胞，能夠再生并生長其特定譜系的特定組織。

它們提供的“新種子”實際上可以重新生長目標受損的組織或器官。（這種獨特的功能有時會與不具備此功能的多能干細胞相混淆，但多能干細胞也可以分化成一些不需要的細胞類型）。這種受限的能力還意味著正確類型的干細胞可以而且應該用于待治療的特定組織或器官。例如，造血干細胞或間充質干細胞如果植入中樞神經系統，其再生能力有限且沒有細胞替代能力，而神經干細胞是為此特定目的而進化的細胞。

人們普遍缺乏對這一特征的認識，導致了混亂，例如，間充質干細胞（MSC）已被植入許多不相關的組織（例如大腦）中，正如預期的那樣，這導致了有限的有益效果。這種方法也可能是有害的，因為一名接受了這些 MSC 注射到眼睛中的患者實際上開始在她的眼睛內生長骨骼。

自體重編程細胞比同種異體細胞更好

對于任何干細胞來說，要正確、有效、永久地替換患者組織中的細胞，干細胞必須具有正確的譜系和自體 （患者自己的細胞在正確的器官或組織中），并且足夠“年輕”才能被使用。能夠勝任這份工作。到目前為止，這在干細胞領域還沒有發生。唯一的例外是造血干細胞移植（骨髓移植），自20世紀60年代以來一直在進行造血干細胞移植，以支持白血病等血液疾病的治療，這是可以使用同種異體干細胞的罕見例子。

該過程比細胞療法更類似于完整的器官移植，因為在患者舊的造血系統被照射（殺死）后，整個造血系統被替換。在此過程中，通常會排斥同種異體移植物的白細胞也被殺死。

當然，這種對“天然”組織的照射不能用于大腦等組織。值得注意的是，即使是高度匹配的造血干細胞 (HSC) 移植，即使經過50多年的臨床改進，這些手術的成功率也往往低于20%。相比之下， 自體 造血干細胞移植（來自臍帶血）沒有出現移植失敗。盡管如此，不幸的是，造血干細胞移植的這種部分例外引起了人們對其他供體干細胞避免排斥的能力的困惑。

例如，人們認為，如果患者正在服用免疫抑制劑，或者如果特定類型的成體干細胞具有非常低的免疫特征（例如，與間充質干細胞）。現實情況是，盡管這些策略允許供體干細胞在患者體內存活一段時間而沒有被患者的免疫系統完全檢測到，但它們最終仍然被殺死。此外，任何免疫抑制療法都會給患者帶來嚴重的副作用。

隨著人們對直接細胞重編程的機制、其專業制造以及自體譜系限制干細胞的重要性有了更多的了解，這些獨特的多能干細胞有潛力推動再生醫學進入世界各地的臨床，并補充小分子藥物、蛋白質、寡核苷酸和醫療器械，屬于未來的醫療產品組合。對于患有一些最具挑戰性的疾病和損傷的患者以及整個社會來說，這是個好消息，因為慢性病護理管理的成本正在崩潰。

直接細胞重編程的未來

直接細胞重編程的未來是什么？最有可能的是，它將為某些類型的干細胞療法提供替代治療方法。

最好的例子是Fortuna Fixa臨床生物技術公司，該公司專門研究與帕金森病和脊髓損傷相關的細胞重編程。該公司已經開發出了兩項卓越的技術：drNPC（一種自體直接重編程神經細胞）和RMx?（一種再生基質）。目前，Fortuna正在進行帕金森病和脊髓損傷的臨床試驗。

然而，他們并不是唯一一家準備徹底改變該領域的公司。私營生物技術公司Mogrify及其新任首席執行官 Darren M. Disley 博士已為新項目籌集了370萬美元的總資金。

根據該公司的一份聲明，Mogrify希望“確定轉錄因子（體外）或小分子（體內）的最佳組合，將任何成熟細胞類型轉化為任何其他成熟細胞類型，而無需經過多能性過程”干細胞，甚至祖細胞狀態。”

細胞重編程面臨的挑戰是巨大的，但在未來，帕金森氏癥患者可以用他們的細胞產生的神經元來治愈，這是令人難以置信的。

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