浅析iPSC的应用方向与发展挑战

       诱导多能干细胞(induced pluripotent stem cells, iPSCs)是将一系列诱导因子导入到成熟体细胞中，并重编程为具有类似胚胎干细胞特征的一种多能干细胞。

诱导多能干细胞避开了利用人体胚胎提取干细胞的伦理道德制约，避免了异体移植免疫排斥的风险，同时在建立包括脑、肠、肝脏、胰腺、肾及肺等相关的多种类器官疾病模型、药物筛选和开发等领域具有重大潜在价值；但是iPS诱导技术处于快速发展时期，还有许多不够成熟的地方，诸如诱导效率低、安全性问题、市场监管问题等。

iPSC的应用方向

i PSC技术的重要性不仅在于为干细胞研究提供了一个全新的视角，打破了伦理等诸多方面的局限，更在于其在医学及临床方面有着广泛的应用前景。

自iPSC技术问世以来，干细胞生物学和再生医学取得了巨大进展。人类iPSC技术已广泛用于再生医学、疾病建模、药物发现和细胞治疗开发。特别是，人类iPSC技术与基因编辑和3D类器官的最新发展相结合，使得基于iPSC的平台在其应用的各个领域(包括精密医学)都更加强大。

1.再生医学

iPSC具有超强的分化能力，在特定条件下，可诱导分化成人体所需的不同类型的细胞，甚至类器官。

早在2007年，基于iPSC技术获得的造血前体细胞成功治愈镰状红细胞贫血症；2018年，科学家通过化学诱导成体心脏成纤维细胞在体内直接转化成心肌细胞，为心脏再生提供了新起点；使用CRISPR等基因编辑技术，可以在许多类型细胞中精确、定向地进行基因敲除或敲入，纠正干细胞基因组内的基因差误，将患者iPSC与基因组编辑技术相结合，为个性化医疗增添了新的途径。2019年，科学家通过改变主要组织相容性复合体基因(MHC基因)以及细胞表面蛋白CD47基因的活动，实现了将iPSC移植到具有完全免疫功能的组织后不引起免疫反应。

2.疾病建模

识别人类疾病的病理机制对于发现新的治疗策略具有关键作用。动物模型为人类疾病建模提供了宝贵的工具，能够识别不同发育阶段和体内环境中特定细胞类型的病理机制。然而，实质性的物种差异可能会阻止在最常用的动物模型(例如小鼠)中重现完整的人类疾病表型。例如，尽管已经为阿尔茨海默病创建了许多转基因小鼠模型，但没有一个模型能够捕捉到人类疾病病理学的整个谱系，包括大量的神经元损失。这种疾病重演的缺乏可能是由于小鼠和人类神经细胞之间的基本物种差异。因此，迫切需要建立人类疾病建模平台来补充使用动物模型进行生物医学研究的研究。

使用原代患者来源的细胞建立疾病模型有助于研究人类疾病的病因学，并为这些疾病制定治疗策略。然而，缺乏来自患者的可扩展的原代细胞来源是一个关键的限制，特别是一些难以获得的细胞，如脑细胞和心脏细胞。因此，人类iPSC是一个有吸引力的选择，因为原则上人类疾病(特别是那些有明确遗传原因的疾病)可以很容易地使用来自不同患者的容易获得的细胞类型(如皮肤成纤维细胞和血细胞)来建立iPSC模型。由于其固有的自我更新特性和分化为体内几乎任何细胞类型的潜力，患者特有的iPSC可以提供大量与疾病相关的细胞和以前无法获得的各种不同类型的细胞，如神经元和心肌细胞。此外，由于iPSC可以来自相关患者本身，它们可以实现个性化的疾病建模，这将成为精准医学的核心部分。

借由iPSC在疾病模型上得天独厚的优势，iPSC在药物有效化合物的筛选及药物毒性验证上正发挥出重要的作用。在有效化合物的筛选上，由于iPSC所构建的疾病模型能够更精准地反映出疾病相关细胞的状态及表型，提供更加接近临床的药物数据，因而在高通量筛选及药物优化上都发挥着重要的作用。在药物毒性检测上，利用iPSC建立的患者特异性细胞有利于评价药物对不同患者的治疗效果及副作用影响。

3.药物开发和发现

在药物研发的过程中，研究者会对药物的治疗效果和不良反应进行测试，使用的测试动物通常是小鼠、狗和猪。但是，这些测试费用昂贵，且人和动物存在差异。此外，动物试验也不能做到有效标准化。现在，我们可以利用疾病模型得到患者特异性iPSC对新药物进行有效测试。有些治疗药物已经在多种疾病患者来源的特异性iPSC中通过了测试，如脊髓性肌萎缩、家族性自主神经功能异常和LEOPARD综合征。研究证实，该新型药物对患者特异性iPSC能起作用，表明了它们具有良好的治疗潜力。

4.细胞治疗

iPSC与ESC同为多能性干细胞，可以分化成几乎所有种类的细胞，因此其最重要的应用便是细胞治疗。与来源于受精囊胚内细胞团的ESC不同，iPSC可以由成体细胞直接诱导而成，从而规避了破坏胚胎所带来的伦理问题，同时由于iPSC可以由患者自身的细胞诱导获得，因此极大地解决了潜在的免疫排斥问题。现阶段，临床应用方面以日本的进展最快，其次为美国、澳大利亚等。

全球范围内已有多个产品进入了临床。常见的应用方向包括眼科类的退行性疾病(黄斑变性)、神经退行性疾病(如帕金森病)、囊性纤维化、肌萎缩性侧索硬化、癌症等。其他系统性疾病的在研方向包括糖尿病、心衰等，以及对新冠肺炎的治疗和后遗症的恢复都有在进行中：

   2014年，Masayo Takahashi团队利用病人自身的iPSC分化成视网膜色素上皮细胞治疗黄斑变性。

   2017年，日本批准开展黄斑变性的异体iPSC的临床试验。随后，日本卫生部为 iPSC的临床试验大开绿灯。

   2018年5月，日本批准将iPSC用于心脏衰竭的临床试验，研究者将向患者心脏表层植入一层心肌膜，通过手术，将其直接贴附到重度心脏病患者的心脏上，以起到治疗作用。同年，日本京都大学宣布，该校研究人员开展了利用iPSC治疗帕金森病的临床试验。

   2019年2月，iPSC治疗脊髓损伤在日本获批。胰岛移植法治疗1型糖尿病存在供体器官供应有限以及免疫排斥等局限性，近年来，除了糖尿病领域市场领先者诺和诺德、赛诺菲、礼来将注意力延伸至干细胞疗法，越来越多的公司探索涉及糖尿病干细胞疗法，包括Seraxis、Unicyte、ViaCyte、NextCell Pharma、Orgenesis、Semma Therapeutics、PharmaCyte、Vertex Pharmaceuticals(福泰制药)等。其中Vertex和ViaCyte是干细胞治疗糖尿病领域的领导者，领先产品处于I/II期临床阶段。此外，干细胞疗法治疗糖尿病的安全性问题也需持续关注。

2022年3月，Stem Cells and Development上发表的一篇文章报告了第一例iPSC来源细胞治疗2型糖尿病后形成未成熟畸胎瘤的临床病例。患者血糖水平没有得到控制且畸胎瘤里有显著的iPSC阳性基因表达。尽管iPSC细胞疗法具有免疫原性低、无伦理问题等显著优势，但基于iPSC的细胞治疗具有致瘤性的潜在风险，这是其推广到临床过程中必须要跨越的障碍。

日本理化所(RIKEN)和安斯泰来(Astellas)、美国纽约干细胞基金会研究所(NYSCF)、美国国际细胞动力学公司(CDI)、澳大利亚干细胞公司(Cynata Therapeutics)都是走在全球前列的iPSC细胞疗法前沿机构。当然，国内部分企业也取得了一定进展。

iPSC细胞治疗主要进展

5.细胞库

由于获得高质量的病人特异的iPSC需要大量的时间和费用，因而在iPSC的临床应用方面，可以采取两个策略。

（1）建立人群内高HLA配型比例的iPSC或ESC细胞库，用尽量少的细胞系覆盖尽量多的人群。

（2）根据临床需求，对个体化iPSC细胞库的分化衍生细胞建立子库。例如，急性损伤患者需要大量组织细胞，很难通过创伤后再从头进行iPSC诱导并进一步分化来及时获得细胞，因此临床上就需要快速高效的分化体系或是提前制备高纯度的、符合临床应用级别的目标细胞库，以备不时之需。目前，日本、欧洲、美国，以及中国都在积极开展高HLA配型的iPSC细胞库项目。

iPSC的发展难点

iPSC诱导技术处于快速发展时期，还有许多不够成熟的地方：

1.诱导效率低

iPSC诱导效率一直以来饱受诟病，诱导效率过低、临床使用成本高、操作难度大、iPSC的干性不足导致分化潜力过低是阻碍该领域研究前进的主要障碍。

一般认为这是因为体细胞重编程到多能干细胞的过程中，会遇到一些“屏障”。比如，导入的基因难以与表达处于关闭状态的下游的基因发生相互作用。简而言之，如果想要将iPS细胞用于临床疗法中，需要满足以下几个条件：确保能高效、安全地取得iPS细胞；确保iPS细胞能分化为目的细胞；确保病人不会产生不良反应。

2.技术壁垒高

iPSC从受体细胞选择、培养、生产、制备等方面需要临床应用的级别，属于知识密集、技术复杂，且多学科高度综合互相渗透的新兴产业。iPSC相关产品的研发与应用具有较高技术含量，尤其是干细胞新药研发、细胞模型的建立等领域，需要分子生物学、临床医学、药学、生物工程、质量管理工程等多学科高层次人才的跨专业合作，才能保障项目顺利开展。

我国行业法律法规的出台加强了对干细胞技术研究的规范化管理。因此，该行业具有较高的技术壁垒。如果需要结合基因编辑等技术，还涉及到病毒培养、转染等流程，这将进一步增加对于厂房、质控、人员培训等方面的要求。

3.安全性问题

在人体中使用iPSC的一个主要风险是用于产生iPS细胞的病毒与发展中的癌症有关。c-Myc是重编程过程中使用的基因之一，它的过度表达也可以引发癌症的发展。另外，DNA的变化会导致基因的强制表达。这种情况无法完全控制，导致不可预测的影响。

iPSC残留导致的致瘤性、在重编程过程中产生的染色体异常、基因突变等是iPSC主要的安全性问题。由于没有经过大规模的临床试验，iPSC的安全性尚未被验证。同时，异体iPSC移植引起的免疫原性存在潜在的安全问题。

4.市场与监管

iPSC的应用面临着市场与监管等方面的难点。虽然现在干细胞治疗需要严格依从药物审批流程，但是市场上仍然存在未经获批的干细胞产品。2016年的数据显示，美国非监管批准的提供干细胞产品的诊所高达570家。因此在监管层面以及消费者教育方面，确保市场上提供的是正规审批过的干细胞治疗及产品是行业的一大挑战。