iPS研究急待“涅槃重生”

張懷奇

2006年，以山中伸彌教授為首的日本京都大學研究小組通過實驗，成功地將小鼠的皮膚細胞——確切地說是成纖維細胞——轉化成了干細胞。這是科學家首次獲得誘導性多能干細胞，即iPS細胞。

iPS細胞的發現有著不同尋常的意義。首先，它更新了人們的觀念，從此之后人們不再認為細胞的命運不可逆轉。普通體細胞不僅可以逆轉為干細胞，而且還可以實現不同組織間的轉分化。其次，它繞過了胚胎干細胞的倫理困境，讓很多實驗室都可以重復這個簡單的實驗，開展多能干細胞的研究。最后，iPS細胞還具有很多胚胎干細胞所不具備的優勢。諸如，將患者自身的iPS細胞在體外操作后重新植入體內，會大大減少排斥反應。如果將患者的體細胞逆轉為iPS細胞，在體外分化并觀察這個過程中出現的問題，那么就可以實現在培養皿里模擬疾病的發生。具有疾病特異的iPS細胞在體外擴增和分化以后，還可以用作篩選治療該疾病的藥物，或者對藥物的毒性進行檢測。

但是這僅僅是新的開始，生命科學如此復雜和不可預測，要把這些愿景變成現實，讓iPS細胞真正造福人類，還有諸多的難題需要攻克。

目前，科學家對iPS細胞的產生機制仍不明確。最初，研究者除了認為可能是由導入的4個基因（分別為Oct3/4、Sox2、c-Myc和Klf4）激活了干細胞的相關因子，誘導了細胞的再編程外，也并不確定是否因為反轉錄病毒摻入了細胞基因組的特定位點而導致再編程，或是在外周成纖維細胞培養中本身就存在具有未分化特性的祖細胞，或是細胞基因組已經發生了不能被染色體核型分析所檢測到的微小改變，或是外成性的改變導致了再編程的發生。

隨著當前iPS細胞研究的進展，盡管一些諸如反轉錄病毒摻入等可能因素已經被排除，但對其再編程發生機制全貌的了解，仍需進行大量的研究來證明。而這一問題若無法解決，研究者們就無法對每個iPS細胞是否徹底完成了再編程進行判斷，也無法獲得更為高效、安全的手段來誘導iPS細胞。因此，iPS細胞產生機制的研究，已成為限制iPS細胞研究發展及應用的最大瓶頸，也必將成為未來iPS細胞研究領域重點突破的科學難題。

安全性問題是阻礙iPS細胞走向應用領域的另一個重大問題。早期的iPS細胞誘導主要采用了諸如反轉錄病毒或慢病毒等病毒載體，但反轉錄病毒載體存在整合入宿主細胞基因組并導致腫瘤的問題，因此在安全性上難以滿足實際需要。當前很多技術上的改進，包括采用非病毒載體，甚至采用藥物直接誘導等方式，即使不存在病毒基因的摻入，非病毒載體的質粒片段也可能存在整合，藥物也可能誘發基因突變，從而誘發腫瘤的產生。此外，導入的4個基因中的c-Myc具有明確的致腫瘤作用。實驗證明，導入c-Myc生成iPS細胞的人工嵌合體小鼠中有50%都會發生腫瘤。同時，僅僅導入其它3個基因同樣也存在一定的腫瘤發生率。如何改進并研究出新的低致瘤性的誘導方法、提高iPS細胞的安全性，是未來iPS細胞研究中的重點與難點之一。

當今的iPS細胞研究尚屬于實驗探索的階段。在實驗中，從開始誘導iPS細胞到建立穩定的iPS細胞克隆，所需要的時間至少在21天以上，而誘導效率則低于1/5000～1/10000，也就是說1萬個細胞中能被成功再編程，并誘導成為干細胞的不超過1～2個。

如果單純從科研的角度而言，這種效率已經足夠高了，因為單純一次實驗就可以獲得數個克隆的iPS細胞。如果從臨床應用的角度考慮，涉及到從患者體內分離并培養大量細胞，以及臨床治療的時效性時，這樣的速度和效率是遠遠滿足不了臨床需求的。因此，必須大大提高誘導效率，縮短誘導時間。

目前，iPS細胞研究主要通過選取更容易被誘導再編程的細胞、改進誘導方法等手段來提高誘導效率，而這方面的研究必將是今后iPS細胞走向臨床應用的重要方向之一。

iPS細胞像胚胎干細胞那樣，能無限分裂，也能形成三個胚層。但不同于胚胎干細胞的是，iPS細胞曾經是已經分化的細胞，如皮膚細胞或肌肉細胞。那么，它們仍具有過去某些遺傳或細胞意義上的“記憶”嗎？近年來的研究表明，這些“記憶”的確以DNA表觀遺傳標記的形式存在著。

iPS細胞保持了一些表觀遺傳標記，在原先已分化的細胞中控制著基因的開關。只有把這些標記去除，科學家才能聲稱得到的iPS細胞與胚胎干細胞毫無差異。理論上來說，將干細胞移植到患者體內的預期用途很多，但是在運用iPS細胞的治療過程中，致癌基因帶來的風險讓一些科學家心存疑慮。如果醫生能在治療中避免多能性的步驟，治療風險將會降低。目前最理想的方案是，從根本上避免進行細胞剔除和移植。那么，有沒有藥物可以直接作用于人體內的細胞，引發細胞的再分化，從而形成所需的細胞呢？最近科學家發現，已經分化的細胞可以直接轉變為另一種類型的細胞。這個被稱為“轉分化”的過程，吸引了很多科學家對此展開研究。但是科學家仍然不能確定，細胞究竟是直接從一種類型改變為另一種類型，還是期間必須經過一個低分化的階段。由此可見，要想把這些細胞用于更為詳盡的研究或臨床應用，還需要做大量的工作。

總之，iPS細胞應用于臨床實踐還有一段漫長的征途。但是相信隨著相關研究的不斷深入，iPS細胞因其所具有的在自體細胞移植、組織工程、新藥物篩選、體外疾病模型建立等方面的優勢，在臨床應用的前景是廣闊的，必將給醫學界帶來新的希望。