什么是诱导性多能干细胞,它的应用前景及作用是什么

2022-09-25 14:55 · 奥孕宝宝
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4月14日,北京大学生命科学学院、北大-清华生命联合中心邓宏魁研究团队在顶尖学术期刊《自然》杂志在线发表了论文,首次在国际上报道了使用化学小分子诱导人成体细胞转变为多能干细胞这项突破性成果。

从体细胞到干细胞,诱导性多能干细胞有多神奇?

2006年,日本京都大学教授山中伸弥率领的团队利用基因修饰技术,将已经失去了全能分化性的小鼠皮肤成纤维细胞改造成了具备全能分化性的胚胎干细胞,即诱导性多能干细胞(induced pluripotent stem cell),简称iPS细胞。而且,iPS细胞可被进一步诱导分化成为各种各样的身体细胞,例如心肌细胞、视网膜细胞等等。

什么是诱导性多能干细胞,它的应用前景及作用是什么

干细胞的多能性,来源:作者自制

在讲iPS细胞之前,我们首先需要了解下“胚胎干细胞”这一概念。我们都知道,人类受精卵首先会形成胚胎,然后胚胎发育,最后形成胎儿。而“胚胎干细胞”就是一种存在于胚胎中,可以分化发育成各种体细胞,进而形成各组织的特殊细胞,它具有全能分化性

大家可能会疑惑,既然胚胎干细胞已经这么好了,那么iPS细胞的发现又有何意义呢?

什么是诱导性多能干细胞,它的应用前景及作用是什么

胚胎干细胞示意图,来源:envato elements

首先,iPS细胞的一大优势体现在伦理问题上。

在获取人类胚胎干细胞时,会不可避免地严重伤害乃至杀死胚胎,这在很多国家已经属于法律上的杀人罪行了。所以,胚胎干细胞的相关研究在各国都受到严格监管,该领域的研究近乎停止。而iPS细胞就不存在这样的伦理问题,因为它不需要获取受精卵或胚胎,仅仅提取一些体细胞,就可以将其转化为与胚胎干细胞相似的多能细胞,所以,iPS细胞的发现是干细胞领域的巨大进步。

此外,从具体的作用来看,iPS细胞的优势也十分明显。

得到iPS细胞后,人类可以将其培养分化,获得所需的其他体细胞,最终将之用于修复身体的损坏组织。长远来说,利用iPS细胞分化培育成人体器官,再进行移植,将可能一劳永逸的解决器官移植源的紧缺问题。与此同时,利用人类病患自身细胞加工形成的iPS细胞,其所培养出的组织或器官在重新移植回病患体内后将被认定为自体组织,能够避开免疫系统的攻击。

什么是诱导性多能干细胞,它的应用前景及作用是什么

iPS细胞制备方式,来源:(维基百科)

iPS细胞虽然好,但技术仍存在两大难关

iPS细胞问世后,再生医学取得突破性进展,人类解锁了理论上可以再造身体组织乃至器官的新技能。但这项技术想要实用化,还要跨越两大难关:第一,人类的器官拥有极度复杂的结构和组成,人工体外培养目前仅仅能够达到组织级别,远不到器官的水平;第二,即便是仅仅在体外利用iPS细胞培育少量人体组织,所消耗的成本都是极为惊人的,因此全球各国(主要是日本)到目前为止进行的iPS细胞临床实验都屈指可数。

不过,虽然攻克第一个难关属于远期目标,远远超出了人类目前的科学水平,但第二个难关其实是有希望通过各种努力来率先克服的。例如,本次中国科学家取得的成果,实际上就是一种旨在降低iPS细胞技术成本的方法。

什么是诱导性多能干细胞,它的应用前景及作用是什么

利用iPS细胞在三种不同形状的树脂模板上培育出的心肌细胞 Scientific Reports | 7:45641 | DOI: 10.1038/srep45641

中国科学家“打怪升级”,提出诱导多能干细胞新方法

在iPS细胞的研究阶段,日本的山中教授最初的想法是通过基因技术修改体细胞,看看是否能将其转化为其他细胞甚至胚胎干细胞。最初的实验一共修改了24个基因,虽然过程相当复杂艰辛,但至少获得了期望中的胚胎干细胞。之后,经过深入的研究,发现只要修改其中的4个基因,就能实现体细胞向胚胎干细胞的转化。

但修改基因的技术毕竟存在着一定的技术风险,操作起来也有诸多不便,而且生产效率十分低下。因此,新的假设被提出——假如把细胞泡在某些特殊的药液中进行处理后就能获得iPS细胞,那么就有希望方便快捷地同时生产大量iPS细胞,自然能够降低后期培养分化所需的成本。

本次中国科学家的成果正是这一想法的实践。简单来说,科学家们利用化学小分子,让体细胞重新变成了具有多能性的干细胞。

与传统方法相比,化学小分子的优势包括操作简便、时空调控性强、作用可逆、细胞重编程过程高度可控等。另外,该技术规避了修改基因操作引发的潜在伦理问题,有望成为更易于推广的临床治疗手段。

可以说,这次中国科学家在诱导性多能干细胞技术上取得的成果意义巨大。不过,目前这项技术仍需深耕,要克服的困难也很多,期待通过科学家们的不断钻研和努力,让这项技术更加成熟,进一步造福全人类!

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