ips細胞

ips細胞

iPS細胞是通過基因轉染技術(gene transfection)將某些轉錄因子導入動物或人的體細胞,使體細胞直接重構成為胚胎幹細胞(embryonic stemcell,ESC)細胞樣的多潛能細胞。

簡介

ips細胞 ips細胞

iPS細胞是將一些多能遺傳基因導入皮膚等細胞中製造而成。讓普通體細胞“初始化”,使其具備幹細胞功能,這就是“iPS細胞”。

“iPS細胞”不僅在細胞形態、生長特性,幹細胞標誌物表達等方面與ES細胞非常相似,而且在DNA甲基化方式、基因表達譜、染色質狀態、形成嵌合體動物等方面也與ES細胞(胚胎幹細胞)幾乎完全相同。

iPS細胞和ES細胞除了不能生成胚胎以外,可以產生所有的細胞,如果用於醫療,那么理論上可以治癒所有疾病——凡是不好的組織都去除,替換為重新生長的正常組織。

研究歷程

iPS細胞 iPS細胞

2006年日本京都大學山中伸彌(Shinya Yamanaka)領導的實驗室在世界著名學術雜誌《細胞》上率先報導了iPS的研究。

他們把Oct3/4、Sox2、c-Myc和Klf4這四種轉錄因子引入小鼠胚胎或皮膚纖維母細胞,發現可誘導其發生轉化,產生的iPS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。

2007年11月,Thompson實驗室和山中伸彌實驗室幾乎同時報導,利用ips技術同樣可以誘導人皮膚纖維母細胞成為幾乎與胚胎幹細胞完全一樣的多能幹細胞。

所不同的是日本實驗室依然採用了用逆轉錄病毒引入Oct3/4、Sox2、c-Myc和Klf4四種因子組合,而Thompson實驗室採用了以慢病毒載體引入Oct4、Sox2加Nanog和LIN28這種因子組合。

這些研究成果被美國《科學》雜誌列為2007年十大科技突破中的第二位。

2008年,哈佛大學George Daley實驗室利用誘導細胞重新編程技術把采自10種不同遺傳病患者病人的皮膚細胞轉變為iPS,這些細胞將會在建產疾病模型、藥物篩選等方面發揮重要作用。

美國科學家還發現,iPS可在適當誘導條件下定向分化,如變成血細胞,再用於治療疾病。

哈佛大學另一家實驗室則發現利用病毒將三種在細胞發育過程中起重要作用的轉錄因子引入小鼠胰腺外分泌細胞,可以直接使其轉變成與幹細胞極為相似的細胞,並且可以分泌胰島素、有效降低血糖。這表明利用誘導重新編程技術可以直接獲得某一特定組織細胞,而不必先經過誘導多能幹細胞這一步。

2009年,中國科學家於2008年11月利用iPS細胞培育出小鼠—“小小”。

中國科學院動物研究所周琪研究員和上海交通大學醫學院曾凡一研究員領導的研究組合作完成的工作表明,利用iPS細胞能夠得到成活的具有繁殖能力的小鼠,從而在世界上第一次證明了iPS細胞與胚胎幹細胞具有相似的多能性。這一研究成果表明iPS幹細胞或許同胚胎幹細胞一樣可以作為治療各種疾病的潛在來源。

2012年10月8日,瑞典卡洛琳斯卡醫學院宣布,將2012年的諾貝爾醫學生理學獎授予培育出了“誘導多能幹細胞”(ips細胞)的日本京都大學教授山中伸彌和英國發育生物學家劍橋大學博士約翰·戈登。

2013年5月,中國科學家發現了一種新細胞生物學機制,有望推動誘導多能幹細胞技術更快地套用到疾病治療中。中科院廣州生物醫藥與健康研究院研究員裴端卿、鄭輝的團隊完成的這一研究成果26日線上發表於國際學術期刊《自然·細胞生物學》。

製備

ips細胞建立的簡單過程 ips細胞建立的簡單過程

iPS細胞建立的過程主要包括:

(1)分離和培養宿主細胞;

(2)通過病毒介導或者其他的方式將若干多個多能性相關的基因導入宿主細胞

(3)將病毒感染後的細胞種植於飼養層細胞上,並於ES細胞專用培養體系中培養,同時在培養中根據需要加入相應的小分子物質以促進重編程;

(4)出現ES樣克隆後進行iPS細胞的鑑定(細胞形態、表觀遺傳學、體外分化潛能等方面)。

套用

ips細胞 ips細胞

iPS細胞的出現,在幹細胞研究領域、表觀遺傳學研究領域以及生物醫學研究領域都引起了強烈的反響,這不僅是因為它在基礎研究方面的重要性,更是因為它為人們帶來的光明的套用前景。

在基礎研究方面,它的出現,已經讓人們對多能性的調控機制有了突破性的新認識細胞重編程是一個複雜的過程,除了受細胞內因子調控外,還受到細胞外信號通路的調控。對於Oct4、Sox2和Nanog等維持於細胞自我新能力的轉錄因子的研究正在逐漸地展開;利用iPS細胞作為實驗模型,只操縱幾個因子的表達,這更會大大加速對多能性調控機理的深入研究。

在實際套用方面,iPS細胞的獲得方法相對簡單和穩定,不需要使用卵細胞或者胚胎。這在技術上和倫理上都比其他方法更有優勢,iPS細胞的建立進一步拉近了幹細胞和臨床疾病治療的距離,iPS細胞在細胞替代性治療以及發病機理的研究、新藥篩選方面具有巨大的潛在價值。

此外,iPS細胞在神經系統疾病、心血管疾病等方面的作用也日益呈現,iPS細胞在體外已成功地被分化為神經元細胞神經膠質細胞、心血管細胞和原始生殖細胞等。在臨床疾病治療中具有巨大套用介值。

優點

與經典的胚胎幹細胞技術和體細胞核移植技術不同,iPS技術不使用胚胎細胞或卵細胞,因此沒有倫理學的問題。
利有iPS技術可以用病人自己的體細胞製備專有的幹細胞,所以不會有免疫排斥的問題。

缺點

添加四個“重新編程”基因或取代疾病細胞中有缺陷基因的方法都可能有導致癌症的副作用。

 

展望

從iPS細胞發育而成的小鼠 從iPS細胞發育而成的小鼠
由於iPS細胞自身的安全性問題,到2012為止,iPS細胞還無法套用於臨床治療,要得到安全實用的有臨床套用價值的治療型iPS細胞,必須避免使用整合性病毒以及有致癌性的外源基因。

根據iPS細胞在短時間內取得的一系列突破,可以預見,iPS細胞必將解決人類面臨的各種疾患。但是還面臨許多急待突破瓶頸和需要深入研究的領域:

(1)研究iPS細胞自我複製、增殖和分化等的調控機制及iPS細胞體外定向誘導分化機制;

(2)充分評價iPS細胞臨床套用的安全性;

(3)建立無遺傳修飾的iPS細胞製備方法( 如僅利用蛋白或小分子化合物即將人的細胞重編程為iPS細胞)。

科學醜聞

2012年10月就iPS細胞(誘導多能幹細胞)製作心肌細胞移植給重症心臟病患者的研究成果屬於虛構一事,東京大學醫院的特任研究員森口尚史自己承認了造假的事實。

諾貝爾獎

2012年10月8日,瑞典卡洛琳斯卡醫學院宣布,將2012年的諾貝爾醫學生理學獎授予日本京都大學教授山中伸彌和英國發育生物學家劍橋大學博士約翰·戈登

獲獎成果為山中教授從皮膚細胞等體細胞中培育出了“誘導多能幹細胞induced pluripotent stem cells”,即iPS細胞。iPS細胞能培養出各種細胞,因此山中教授的發明為再生醫療開闢了一條嶄新的道路。
山中教授在2006年8月公布了他的研究成果,他將4個基因注入從老鼠尾巴中所提取的體細胞中,並成功地培養出了iPS細胞。在2007年11月他宣布,這項實驗在人體皮膚細胞上也獲得了成功。

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