諾獎(jiǎng)得主山中伸彌回顧并展望iPSC研究二十年：從發(fā)現(xiàn)到多樣化應(yīng)用

編譯丨王聰

編輯丨王多魚(yú)

排版丨水成文

2006 年，山中伸彌（Shinya Yamanaka）和他的學(xué)生兼助手高橋和利（Kazutoshi Takahashi）在 Cell 期刊發(fā)表論文【1】，首次發(fā)下只需表達(dá)四個(gè)因子——Oct3/4、Sox2、c-Myc 和 Klf4，就能從小鼠胚胎或成纖維細(xì)胞中誘導(dǎo)出多能干細(xì)胞，他們將其命名為誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPSC），這一發(fā)現(xiàn)為山中伸彌贏得了 2012 年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。

這一最初的意外發(fā)現(xiàn)迅速改變了全球的干細(xì)胞生物學(xué)和再生醫(yī)學(xué)，如今，二十年過(guò)去了，我們對(duì)細(xì)胞重編程和多能性的分子機(jī)制有了深刻理解。iPSC 技術(shù)也不斷發(fā)展——變得更安全、更高效、更通用，正成為從疾病建模、藥物發(fā)現(xiàn)到再生療法及抗衰老研究等廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)。

近日，諾貝爾獎(jiǎng)得主山中伸彌教授在Cell Stem Cell期刊發(fā)表了題為：Two decades of induced pluripotent stem cell research: From discovery to diverse applications 的文章【2】。

在這篇文章中，山中伸彌教授回顧了 iPSC 的科學(xué)歷程，強(qiáng)調(diào)了對(duì)重編程理解的關(guān)鍵里程碑，并探討了 iPSC 不斷擴(kuò)大的臨床和社會(huì)影響。

“山中博士，請(qǐng)來(lái)看看這些細(xì)胞。它們看起來(lái)像胚胎干細(xì)胞（ESC）?！?/p>

那是 2005 年的夏天，高橋和利沖進(jìn)我的辦公室宣布了這件事。他將 24 個(gè)候選基因——被鑒定為在小鼠胚胎干細(xì)胞中高表達(dá)——引入了小鼠胚胎成纖維細(xì)胞。為了監(jiān)測(cè)重編程，我們改造了這些成纖維細(xì)胞，使得它們只有在激活胚胎干細(xì)胞（ESC）特異性基因表達(dá)時(shí)才能在 G418 篩選下存活。在顯微鏡下，我看到了幾個(gè)在形態(tài)上類似于小鼠胚胎干細(xì)胞的克隆。我告訴高橋：“別激動(dòng)。這很可能是污染?！碑?dāng)然，后來(lái)的事實(shí)證明，我錯(cuò)了。

2005 年夏天觀察到的首批 iPSC 克隆之一

我大約在 2000 年第一次成為獨(dú)立研究員時(shí)，開(kāi)始認(rèn)真思考細(xì)胞重編程。核移植實(shí)驗(yàn)和轉(zhuǎn)錄因子介導(dǎo)的細(xì)胞命運(yùn)轉(zhuǎn)換研究表明，分化狀態(tài)原則上是可以逆轉(zhuǎn)的。然而，多能性——細(xì)胞可塑性的最極端形式——是否能僅由確定的因子誘導(dǎo)，這完全不清楚，我當(dāng)時(shí)認(rèn)為，解決這個(gè)問(wèn)題可能需要數(shù)十年之久。

山中伸彌

讓我有信心嘗試這個(gè)實(shí)驗(yàn)的想法是，多能性是由一個(gè)相對(duì)較小的核心調(diào)控網(wǎng)絡(luò)而非數(shù)百個(gè)獨(dú)立組件來(lái)維持的。胚胎細(xì)胞似乎由數(shù)量有限的、通過(guò)強(qiáng)化反饋回路連接的轉(zhuǎn)錄因子所穩(wěn)定。如果是這樣，強(qiáng)制表達(dá)正確的組合可能足以重置細(xì)胞身份。盡管如此，我們最初并未期望實(shí)驗(yàn)會(huì)成功。我們最初的計(jì)劃是使用逆轉(zhuǎn)錄病毒 cDNA 文庫(kù)進(jìn)行大規(guī)模篩選，而 24 因子實(shí)驗(yàn)是作為驗(yàn)證我們篩選系統(tǒng)的試點(diǎn)構(gòu)思的。如果它失敗了，我們會(huì)繼續(xù)進(jìn)行基于文庫(kù)的無(wú)偏倚發(fā)現(xiàn)。

高橋重復(fù)了實(shí)驗(yàn)，并持續(xù)獲得類似的克隆。通過(guò)系統(tǒng)性地剔除，他將基因集縮小到四個(gè)——Oct3/4、Sox2、Klf4和c-Myc（合成為OSKM）。由這四個(gè)因子誘導(dǎo)的細(xì)胞表現(xiàn)出多能干細(xì)胞的特性。這就是誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（induced Pluripotent Stem Cell，iPSC）的誕生。

到我們向Cell期刊投稿時(shí)，我們已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室確認(rèn)了 iPSC 誘導(dǎo)的可重復(fù)性。然而，我們?nèi)該?dān)心其他人使用不同的手法、試劑和設(shè)備是否能重復(fù)出來(lái)。我們的擔(dān)憂被證明是多余的——在不到一年時(shí)間里，世界各地的多個(gè)實(shí)驗(yàn)室成功利用小鼠和人類細(xì)胞生成了 iPSC。胚胎干細(xì)胞研究從小鼠過(guò)渡到人類用了 17 年，而建立在胚胎干細(xì)胞研究基礎(chǔ)上的 iPSC 技術(shù)僅用 1 年就完成了這一過(guò)渡。此后，數(shù)千項(xiàng)研究探索了這項(xiàng)技術(shù)的幾乎每個(gè)方面，從分子機(jī)制到轉(zhuǎn)化應(yīng)用。

在這篇文章中，山中伸彌教授重點(diǎn)介紹了塑造我們對(duì) iPSC 重編程理解和醫(yī)學(xué)應(yīng)用的里程碑式發(fā)現(xiàn)，并討論了二十年以來(lái)不斷涌現(xiàn)的廣泛的當(dāng)前和未來(lái)應(yīng)用。

重編程機(jī)制、iPSC 及相關(guān)技術(shù)的醫(yī)學(xué)應(yīng)用的標(biāo)志性論文

重訪重編程效率：對(duì)“精英”與“隨機(jī)”辯論的細(xì)致解析

重編程最初令人震驚，不僅因?yàn)樗赡軐?shí)現(xiàn)，還因?yàn)樗实拖?。早期?bào)告指出，只有極少部分的細(xì)胞成功重新激活了多能性程序。這種低效引發(fā)了一場(chǎng)關(guān)于“精英模型”和“隨機(jī)模型”支持者之間的熱烈辯論。

精英模型假設(shè)，在一個(gè)異質(zhì)性群體中，只有稀有細(xì)胞——可能是祖細(xì)胞或類干細(xì)胞——保留了固有的可塑性，使其能夠?qū)?OSKM 做出反應(yīng)。這些細(xì)胞被認(rèn)為擁有更易接近的染色質(zhì)環(huán)境或更有利的增殖能力。

隨機(jī)模型提出了一個(gè)更激進(jìn)的想法：所有體細(xì)胞都具有重編程的能力，但該過(guò)程需要一系列罕見(jiàn)的分子事件，而這些事件發(fā)生的概率很低。從這個(gè)角度來(lái)看，低效率反映了任務(wù)的復(fù)雜性，而不是起始群體的局限性。

隨著該領(lǐng)域數(shù)據(jù)的積累，情況變得清晰——兩種模型都捕捉到了部分真相。次級(jí) iPSC 誘導(dǎo)系統(tǒng)的發(fā)展極大地促進(jìn)了數(shù)據(jù)積累。重編程的早期階段是高度異質(zhì)性的。單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析顯示，細(xì)胞會(huì)經(jīng)歷不穩(wěn)定的中間狀態(tài)，其特征是體細(xì)胞身份的局部丟失和早期多能性相關(guān)基因的零星激活。只有其中一些細(xì)胞進(jìn)展到足以激活核心多能性網(wǎng)絡(luò)，而其他細(xì)胞則轉(zhuǎn)向死胡同或恢復(fù)為體細(xì)胞表達(dá)模式。

然而，該領(lǐng)域也了解到，體細(xì)胞的初始狀態(tài)至關(guān)重要。角質(zhì)形成細(xì)胞的重編程效率遠(yuǎn)高于成纖維細(xì)胞，因?yàn)樗鼈兊娜旧|(zhì)環(huán)境天生就更容易接近。血液祖細(xì)胞比重編程末期的淋巴細(xì)胞更容易。衰老、氧化應(yīng)激、線粒體功能障礙和代謝靈活性改變都會(huì)影響重編程的易感性。因此，雖然隨機(jī)性主導(dǎo)早期事件，但體細(xì)胞狀態(tài)與多能性之間的表觀遺傳“距離”決定了細(xì)胞穿越重編程“景觀”的可能性。

這種細(xì)致的理解強(qiáng)調(diào)了內(nèi)在細(xì)胞特性與概率性轉(zhuǎn)變之間的相互作用。重編程既非完全確定性，也非完全隨機(jī)——它是一個(gè)受起始狀態(tài)和重塑身份的分子事件序列共同影響的混合過(guò)程。

細(xì)胞重編程的機(jī)制：解碼可塑性的邏輯

重編程是一個(gè)戲劇性的生物學(xué)事件。它不僅需要抑制體細(xì)胞身份，還需要重建一個(gè)類似于早期胚胎的多能狀態(tài)。這種轉(zhuǎn)變通過(guò)轉(zhuǎn)錄重組、表觀遺傳重塑、代謝重連和細(xì)胞結(jié)構(gòu)變化的交織波次展開(kāi)。

OSKM 誘導(dǎo)后的最初幾天內(nèi)會(huì)發(fā)生第一個(gè)可觀察到的轉(zhuǎn)變。體細(xì)胞轉(zhuǎn)錄因子開(kāi)始失去主導(dǎo)地位，其增強(qiáng)子逐漸關(guān)閉。同時(shí)，細(xì)胞經(jīng)歷間質(zhì)-上皮轉(zhuǎn)化（MET），這一事件令該領(lǐng)域感到驚訝，因?yàn)樗沂玖思?xì)胞粘附和極性信號(hào)對(duì)于實(shí)現(xiàn)向多能性轉(zhuǎn)變至關(guān)重要。MET 反映了細(xì)胞遠(yuǎn)離成纖維細(xì)胞身份、轉(zhuǎn)向更類似上皮、胚胎樣狀態(tài)的過(guò)程。角質(zhì)形成細(xì)胞的重編程效率高于成纖維細(xì)胞，因?yàn)樗鼈儽举|(zhì)上是上皮性的，繞過(guò)了對(duì) MET 的需求。

這種轉(zhuǎn)變通常伴隨著代謝變化。嚴(yán)重依賴氧化磷酸化的體細(xì)胞減少了線粒體活性，并開(kāi)始傾向于糖酵解，這是多能干細(xì)胞的一個(gè)標(biāo)志。線粒體自身也經(jīng)歷形態(tài)重構(gòu)，變得更小、更不細(xì)長(zhǎng)——這是代謝轉(zhuǎn)變的視覺(jué)表現(xiàn)。

重編程需要染色質(zhì)的廣泛重構(gòu)。多能性基因通常被鎖定在帶有 H3K9me3 或 DNA 甲基化的抑制性染色質(zhì)中。OSKM 的表達(dá)啟動(dòng)了染色質(zhì)開(kāi)放的緩慢、復(fù)雜過(guò)程。TET 酶催化多能性增強(qiáng)子的去甲基化，組蛋白修飾復(fù)合物去除抑制性標(biāo)記。染色質(zhì)重塑因子例如 BRG1 有助于重新定位核小體，為多能性基因激活創(chuàng)造有利環(huán)境。

體細(xì)胞增強(qiáng)子的去除和多能性增強(qiáng)子的逐漸出現(xiàn)，凸顯了染色質(zhì)結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)錄之間的動(dòng)態(tài)相互作用。增強(qiáng)子-啟動(dòng)子距離發(fā)生變化，環(huán)狀相互作用重新排列，先前沉默的基因組區(qū)域?yàn)榧せ钭龊脺?zhǔn)備。

核心多能性調(diào)控因子的激活代表了重編程的一個(gè)臨界點(diǎn)。Nanog、Oct4、Sox2 和 Esrrb 形成相互連接的反饋回路，穩(wěn)定了多能性身份。一旦這個(gè)網(wǎng)絡(luò)建立，細(xì)胞就從一種不穩(wěn)定的中間狀態(tài)過(guò)渡到一個(gè)更具決定性的階段，此時(shí)結(jié)果變得可預(yù)測(cè)。

在此階段，細(xì)胞周期加速，G1 檢查點(diǎn)縮短，DNA 修復(fù)通路進(jìn)行調(diào)整以支持多能細(xì)胞特有的增殖增加。染色質(zhì)整體上變得更易接近，反映了一個(gè)為快速分化成多種譜系做好準(zhǔn)備的多能性基因組。

隨著多組學(xué)技術(shù)的成熟，人們明顯看到僅靠轉(zhuǎn)錄因子并不能控制重編程。小 RNA 在從體細(xì)胞向多能身份轉(zhuǎn)變過(guò)程中微調(diào)基因表達(dá)。RNA 結(jié)合蛋白影響對(duì)身份轉(zhuǎn)換至關(guān)重要的剪接模式，而長(zhǎng)鏈非編碼 RNA 調(diào)控增強(qiáng)子活性并穩(wěn)定中間狀態(tài)。這些調(diào)節(jié)因子共同幫助編排定義重編程的復(fù)雜分子事件之舞。

隨著單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)、染色質(zhì)可及性測(cè)序、甲基化譜分析、蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)的整合，該領(lǐng)域現(xiàn)在接近對(duì)重編程軌跡的全面理解。最佳輸運(yùn)模型等計(jì)算框架允許研究人員重建數(shù)千個(gè)單個(gè)細(xì)胞的軌跡，揭示替代路徑、繞行和瓶頸。

重編程不再被視為一條簡(jiǎn)單的通路，而是被視為一個(gè)由轉(zhuǎn)錄、染色質(zhì)、代謝和細(xì)胞生理學(xué)相互作用塑造的多維“景觀”。

iPSC 的醫(yī)學(xué)應(yīng)用：從早期質(zhì)疑到成熟的轉(zhuǎn)化渠道

從一開(kāi)始，iPSC 在再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域就擁有巨大潛力。然而，從概念到臨床的旅程遠(yuǎn)非一帆風(fēng)順。早年充滿了對(duì)安全性、可重復(fù)性、基因組完整性和分化潛能的合理?yè)?dān)憂。隨著時(shí)間的推移，謹(jǐn)慎的實(shí)驗(yàn)和方法論的改進(jìn)將這些挑戰(zhàn)轉(zhuǎn)化為創(chuàng)新的機(jī)會(huì)。

早期的 iPSC 生成依賴于有插入突變風(fēng)險(xiǎn)的整合型病毒載體。這些方法雖然有效，但引發(fā)了臨床應(yīng)用方面的擔(dān)憂。非整合系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)——附加型質(zhì)粒、腺病毒、仙臺(tái)病毒、piggyBac、合成 mRNA，以及最終基于小分子的方法——代表了一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。這些平臺(tái)不僅消除了基因組整合的風(fēng)險(xiǎn)，還簡(jiǎn)化了下游的質(zhì)量控制并提高了可擴(kuò)展性。

初步研究報(bào)告了 iPSC 中令人擔(dān)憂的拷貝數(shù)變異和突變水平。然而，更深入的分析揭示，大多數(shù)是預(yù)先存在的體細(xì)胞嵌合突變，而非重編程的假象。盡管如此，這些發(fā)現(xiàn)促使廣泛采用嚴(yán)格的基因組質(zhì)量控制流程。深度測(cè)序、甲基化譜分析、核型分析和線粒體基因組分析現(xiàn)在構(gòu)成了 iPSC 表征的標(biāo)準(zhǔn)組成部分。

殘留表觀遺傳記憶——供體細(xì)胞特異性甲基化模式的持續(xù)存在——也通過(guò)偏向分化潛力構(gòu)成了挑戰(zhàn)。重編程動(dòng)力學(xué)、傳代方案和因子表達(dá)的改進(jìn)已在很大程度上解決了這些問(wèn)題，產(chǎn)生的 iPSC 在分子和功能特性上與胚胎干細(xì)胞高度相似。

基因匹配比較表明，人類胚胎干細(xì)胞和 iPSC 在分子和功能上基本等同，遺傳背景是表觀差異的主要混雜因素。盡管如此，細(xì)胞系間的變異和不完全的重編程事件——特別是在印記、X 染色體狀態(tài)和高階基因組程序等特定表觀遺傳特征方面——可以以情境依賴的方式影響表型。

從 iPSC 和胚胎干細(xì)胞獲得成熟細(xì)胞類型是該領(lǐng)域早期的瓶頸之一。初始的分化方案產(chǎn)生了類似于胎兒而非成體組織的細(xì)胞。隨著時(shí)間的推移，發(fā)育生物學(xué)的進(jìn)步使得能夠創(chuàng)建逐步的方案，以越來(lái)越精確地重述胚胎信號(hào)通路。類器官技術(shù)通過(guò)提供模擬體內(nèi)微環(huán)境的 3D 環(huán)境，進(jìn)一步改善了分化結(jié)果。

如今，iPSC 來(lái)源的心肌細(xì)胞表現(xiàn)出更成熟的表型，可以從人類 iPSC 來(lái)源的類器官芽中生成血管化和功能性的肝組織，并且 iPSC 來(lái)源的神經(jīng)元形成功能性突觸網(wǎng)絡(luò)。雖然完美的成體樣成熟仍然是一個(gè)前沿領(lǐng)域，但該領(lǐng)域已經(jīng)從原理證明演示發(fā)展到高度復(fù)雜的細(xì)胞模型。

一個(gè)成熟領(lǐng)域的標(biāo)志之一是全球標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展。iPSC 領(lǐng)域很早就接受了這一必要性，采用了多能性評(píng)分卡、標(biāo)準(zhǔn)化報(bào)告框架和符合良好生產(chǎn)規(guī)范的工作流程。國(guó)際聯(lián)盟現(xiàn)在協(xié)調(diào)最佳實(shí)踐，以確保全球分發(fā)的 iPSC 細(xì)胞系符合一致的基準(zhǔn)，例如國(guó)際干細(xì)胞庫(kù)倡議和人類多能干細(xì)胞注冊(cè)中心。

基于 iPSC 的再生療法：從概念承諾到臨床現(xiàn)實(shí)

臨床前研究證實(shí)，iPSC 來(lái)源的細(xì)胞可以在宿主組織內(nèi)存活、整合并發(fā)揮功能。在帕金森病模型中，移植的多巴胺能神經(jīng)元恢復(fù)了多巴胺的產(chǎn)生并改善了運(yùn)動(dòng)功能。在心臟損傷模型中，iPSC 來(lái)源的心肌細(xì)胞與宿主心肌同步。來(lái)自 iPSC 的視網(wǎng)膜色素上皮細(xì)胞表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)性整合和對(duì)光感受器的支持。

這些成功為推進(jìn)到首次人體試驗(yàn)提供了必要的依據(jù)。早期的基于 iPSC 的試驗(yàn)，一個(gè)用于年齡相關(guān)性黃斑變性，另一個(gè)用于帕金森病，不僅證明了可行性，也證明了自體 iPSC 來(lái)源移植物安全性。這些試驗(yàn)突顯了細(xì)致制造、長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)和基因組篩查的重要性——所有這些要素后來(lái)都被納入了全球臨床實(shí)踐。

在這些早期試驗(yàn)之后，臨床項(xiàng)目迅速擴(kuò)展。已使用 iPSC 和胚胎干細(xì)胞進(jìn)行了超過(guò)一百項(xiàng)臨床試驗(yàn)。其中一些已發(fā)表的有希望的結(jié)果。角膜上皮細(xì)胞為治療失明帶來(lái)了新希望。多巴胺能祖細(xì)胞已進(jìn)入帕金森病的臨床試驗(yàn)，其中 iPSC 和胚胎干細(xì)胞來(lái)源的細(xì)胞迄今顯示出相當(dāng)?shù)陌踩院凸奈枞诵牡寞熜盘?hào)。需要在更大的患者隊(duì)列中進(jìn)行更長(zhǎng)期的隨訪，以確定持久性、療效和廣泛的臨床可行性。

雖然自體療法在概念上很吸引人，但其生產(chǎn)緩慢且昂貴。人類白細(xì)胞抗原純合 iPSC 庫(kù)的創(chuàng)建——匹配國(guó)家大部分人口的供體細(xì)胞系集合——為可擴(kuò)展的同種異體療法打開(kāi)了大門。這些細(xì)胞可以預(yù)先制備、經(jīng)過(guò)質(zhì)量測(cè)試并儲(chǔ)存以供立即臨床使用。同時(shí)，免疫工程已經(jīng)產(chǎn)生了具有降低免疫原性的“通用” iPSC 細(xì)胞系，為真正“現(xiàn)貨型”的再生產(chǎn)品提供了可能性。

iPSC 療法的臨床興起帶來(lái)了倫理挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)與器官移植和基因治療中看到的類似，但有其獨(dú)特細(xì)微差別。由于 iPSC 可以從任何個(gè)體產(chǎn)生，同意、隱私和數(shù)據(jù)治理的問(wèn)題變得尤為重要。隨著再生技術(shù)變得更加強(qiáng)大和廣泛應(yīng)用，公眾參與對(duì)于保持信任仍然至關(guān)重要。

疾病建模和藥物發(fā)現(xiàn)：培養(yǎng)皿中的人類生物學(xué)

如果再生療法代表了 iPSC 科學(xué)的一個(gè)支柱，那么疾病建模則代表了另一個(gè)——可以說(shuō)是當(dāng)前影響最廣泛的一個(gè)。

患者特異性 iPSC 模型使得能夠研究那些因難以獲取原代人體組織而以前無(wú)法觸及的疾病。肌萎縮側(cè)索硬化癥、脊髓性肌萎縮癥和帕金森病模型表現(xiàn)出標(biāo)志性的神經(jīng)元變性。長(zhǎng) QT 綜合征心肌細(xì)胞顯示出與心律失常風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)的電生理特征。這些早期成功證明，iPSC 來(lái)源的細(xì)胞可以重述有意義的疾病表型。早期臨床試驗(yàn)的結(jié)果支持基于 iPSC 的方法在藥物發(fā)現(xiàn)，特別是藥物再利用方面的潛力。

該領(lǐng)域迅速超越了單基因疾病。精神分裂癥、雙相情感障礙和自閉癥等精神疾病已使用 iPSC 來(lái)源的神經(jīng)培養(yǎng)物和類器官進(jìn)行建模，揭示了突觸形成、網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)和發(fā)育軌跡方面的細(xì)微差異。復(fù)雜的心臟疾病、代謝紊亂和免疫功能障礙都已使用類似方法進(jìn)行了探索。

類器官為疾病建模引入了新的維度。繼笹井芳樹(shù)在視網(wǎng)膜類器官的開(kāi)創(chuàng)性工作（2011 年發(fā)表于Nature期刊）之后，其他團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了重現(xiàn)皮質(zhì)分層和神經(jīng)元遷移方面的大腦類器官，以及為研究囊性疾病、感染和上皮功能障礙提供平臺(tái)的腎臟和腸道類器官。將類器官融合成“組裝體”使得能夠研究長(zhǎng)程相互作用，例如中間神經(jīng)元從前腦腹側(cè)遷移到皮質(zhì)。

iPSC 與 CRISPR 基因組編輯的整合徹底改變了因果推理。通過(guò)比較僅在一個(gè)致病性變異上不同的同基因?qū)?，研究人員可以在沒(méi)有混雜背景變異的情況下，識(shí)別基因損傷的直接后果。這一策略已經(jīng)闡明了包括心肌病、自閉癥譜系障礙和代謝疾病在內(nèi)的多種疾病的機(jī)制。

iPSC 來(lái)源的組織現(xiàn)在作為藥物發(fā)現(xiàn)和安全性測(cè)試的平臺(tái)。心肌細(xì)胞可以預(yù)測(cè)致心律失常潛力，肝細(xì)胞評(píng)估代謝和毒性反應(yīng)，神經(jīng)培養(yǎng)物提供神經(jīng)毒性信息。在新發(fā)傳染病暴發(fā)期間，iPSC 來(lái)源的組織為病毒嗜性和宿主反應(yīng)提供了窗口。

包含不同祖先來(lái)源供體的大型 iPSC 生物樣本庫(kù)對(duì)于捕捉人類遺傳變異的全譜至關(guān)重要?，F(xiàn)有的儲(chǔ)存庫(kù)顯示出強(qiáng)烈的歐洲血統(tǒng)偏向，突顯了需要更廣泛的代表性以支持公平的發(fā)現(xiàn)。使用大型 iPSC 隊(duì)列的研究表明，遺傳變異塑造細(xì)胞表型，包括基因調(diào)控和應(yīng)激反應(yīng)。由于遺傳背景影響治療反應(yīng)，多樣化的 iPSC 生物樣本庫(kù)為推進(jìn)個(gè)性化醫(yī)療和人類功能基因組學(xué)提供了必要的基礎(chǔ)設(shè)施。

iPSC 及相關(guān)技術(shù)的多樣化應(yīng)用

iPSC 科學(xué)的擴(kuò)展視野

雖然 iPSC 常與治療和建模相關(guān)，但它已經(jīng)影響了一系列令人驚訝的科學(xué)領(lǐng)域。

來(lái)自瀕危物種的 iPSC 為保存遺傳多樣性和研究在無(wú)法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的有機(jī)體中的發(fā)育軌跡提供了工具。使用靈長(zhǎng)類動(dòng)物 iPSC 的比較研究揭示了早期神經(jīng)發(fā)育、突觸成熟和免疫反應(yīng)方面的物種特異性差異。

類原腸胚（Gastruloid）和類囊胚（Blastoid）重建了否則在人類中無(wú)法獲得的早期發(fā)育事件。這些模型闡明了原腸胚形成、軸特化和胚層形成的機(jī)制。體外配子發(fā)生將iPSC應(yīng)用擴(kuò)展到生殖生物學(xué)，允許研究生育通路和未來(lái)潛在的不孕癥治療方法。

最近，將 iPSC 來(lái)源的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)與電子系統(tǒng)耦合的工作，產(chǎn)生了能夠?qū)W習(xí)模式、響應(yīng)刺激和適應(yīng)行為的混合結(jié)構(gòu)。這些系統(tǒng)挑戰(zhàn)了生物智能與人工智能之間的傳統(tǒng)區(qū)別，引發(fā)了關(guān)于計(jì)算、認(rèn)知和工程生命系統(tǒng)倫理界限的深刻問(wèn)題。

也可以公平地說(shuō)，向多能性重編程的發(fā)現(xiàn)有助于促進(jìn)直接譜系重編程的發(fā)展。證明確定的轉(zhuǎn)錄因子可以超越穩(wěn)定的體細(xì)胞身份，從根本上改變了該領(lǐng)域看待細(xì)胞命運(yùn)的方式，為將一種分化狀態(tài)直接轉(zhuǎn)換為另一種狀態(tài)的想法打開(kāi)了大門。隨后在誘導(dǎo)神經(jīng)元、心肌細(xì)胞和其他譜系方面的工作建立在 iPSC 研究期間確立的概念和技術(shù)基礎(chǔ)之上，即使這些方法遵循不同的機(jī)制路徑。

也許最引人深思的前沿領(lǐng)域之一是“返老還童”生物學(xué)，部分重編程——短暫暴露于 OSKM 或修飾的因子變體——提供了一種重置表觀遺傳年齡而不完全抹去細(xì)胞身份的方法。動(dòng)物模型中的早期研究表明，這種方法可以恢復(fù)代謝彈性、逆轉(zhuǎn)衰老的分子標(biāo)記并改善組織功能。如果這些發(fā)現(xiàn)能安全地轉(zhuǎn)化到人類細(xì)胞和組織，部分重編程可能有助于解決與年齡相關(guān)的疾病，不是通過(guò)治療癥狀，而是通過(guò)恢復(fù)年輕的細(xì)胞狀態(tài)。這對(duì)公共衛(wèi)生、長(zhǎng)壽和慢性病管理的影響是深遠(yuǎn)的，并且需要我們仔細(xì)考慮其治療前景和潛在風(fēng)險(xiǎn)，例如致瘤性。

iPSC 技術(shù)另一個(gè)引人深思的擴(kuò)展是跨物種器官發(fā)生，其目標(biāo)是通過(guò)囊胚互補(bǔ)在大型動(dòng)物宿主（例如豬）中生成人類器官。在初始多能狀態(tài)方面的進(jìn)展可能使人類 iPSC 在豬和羊胚胎中發(fā)揮貢獻(xiàn)作用。盡管主要的生物學(xué)和倫理挑戰(zhàn)仍然存在，但基因組工程和發(fā)育控制方面的持續(xù)進(jìn)展，使得這種方法作為解決器官短缺問(wèn)題的潛在策略，仍保持著人們的興趣。

展望：未來(lái)二十年

隨著 iPSC 領(lǐng)域進(jìn)入其第三個(gè)十年，干細(xì)胞生物學(xué)、計(jì)算、合成生物學(xué)和轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)之間的界限正在消融。下一個(gè)時(shí)代將不僅僅定義為對(duì)重編程或分化方案的漸進(jìn)式改進(jìn)，而是由傳統(tǒng)上獨(dú)立發(fā)展的學(xué)科的更深層次整合來(lái)定義。在這種融合的核心，存在著一個(gè)簡(jiǎn)單而深刻的問(wèn)題：如果我們能控制細(xì)胞身份，我們是否也能預(yù)測(cè)、設(shè)計(jì)甚至優(yōu)化它？

即將到來(lái)的最具變革性的發(fā)展之一是將人工智能整合到干細(xì)胞生物學(xué)中。多組學(xué)數(shù)據(jù)集現(xiàn)在以前所未有的分辨率捕捉細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄、表觀遺傳、代謝和結(jié)構(gòu)狀態(tài)。這些數(shù)據(jù)集對(duì)僅憑直覺(jué)而言過(guò)于復(fù)雜，但在其上訓(xùn)練的人工智能驅(qū)動(dòng)模型已經(jīng)開(kāi)始揭示命運(yùn)決定中的隱藏模式。這些系統(tǒng)可能很快就能預(yù)測(cè)哪些細(xì)胞最容易被重編程，識(shí)別成功轉(zhuǎn)變的最早分子特征，甚至提出繞過(guò)經(jīng)典轉(zhuǎn)錄因子組合的合成路徑。研究人員可能有一天會(huì)在計(jì)算機(jī)中模擬重編程“景觀”，在體外驗(yàn)證最有希望的候選方案之前，測(cè)試數(shù)千個(gè)假設(shè)的因子組合。

合成生物學(xué)也準(zhǔn)備同樣戲劇性地重塑該領(lǐng)域?？删幊剔D(zhuǎn)錄因子、基于 CRISPR 的表觀遺傳修飾劑和合成基因回路的進(jìn)步，允許越來(lái)越精確地操縱細(xì)胞身份。不難想象，多能性程序可以用小分子開(kāi)啟和關(guān)閉，或者分化方案由感知并實(shí)時(shí)糾正偏差的工程反饋回路引導(dǎo)。安全回路可以防止不受控制的生長(zhǎng)，而合成增強(qiáng)子可以穩(wěn)定在歷史上難以分化的組織中的譜系定向。這些創(chuàng)新預(yù)示著一個(gè)未來(lái)，其中干細(xì)胞的行為不僅僅是觀察或被推動(dòng)，而是被設(shè)計(jì)。

生物制造——常常被低估的轉(zhuǎn)化細(xì)胞療法支柱——也將經(jīng)歷深刻變化。封閉系統(tǒng)、自動(dòng)化培養(yǎng)平臺(tái)將減少變異、提高可擴(kuò)展性并增強(qiáng)安全性。這些系統(tǒng)將允許持續(xù)監(jiān)測(cè)多能性標(biāo)記、代謝狀態(tài)和基因組完整性，將細(xì)胞生產(chǎn)從一種手工過(guò)程轉(zhuǎn)變?yōu)楣I(yè)化過(guò)程。經(jīng)過(guò)工程改造以逃避免疫排斥的通用供體細(xì)胞，可能會(huì)極大地?cái)U(kuò)展獲得再生療法的機(jī)會(huì)，將臨床實(shí)踐從定制治療轉(zhuǎn)向易于部署的現(xiàn)成解決方案?；蛘?，封閉和自動(dòng)化系統(tǒng)可能使以合理的成本和時(shí)間，為每個(gè)患者生成自體 iPSC 成為可能。根據(jù)要移植的細(xì)胞類型以及患者的免疫和系統(tǒng)狀況，可能需要自體 iPSC。

這些科學(xué)進(jìn)步帶有倫理、社會(huì)和哲學(xué)內(nèi)涵。隨著 iPSC 衍生系統(tǒng)開(kāi)始涉及早期人類發(fā)育、生殖、認(rèn)知和環(huán)境管理的方面，社會(huì)將被迫面對(duì)超出常規(guī)生物倫理學(xué)范疇的問(wèn)題。

合成的胚胎樣模型挑戰(zhàn)我們對(duì)發(fā)育界限的定義。體外配子發(fā)生引發(fā)了關(guān)于親子關(guān)系、繼承和生殖自主權(quán)的問(wèn)題。將神經(jīng)元與計(jì)算硬件耦合的生物混合系統(tǒng)可能引發(fā)關(guān)于意識(shí)、學(xué)習(xí)和工程化生物網(wǎng)絡(luò)的道德地位的新辯論。甚至保護(hù)生物學(xué)——iPSC 可以幫助滅絕物種復(fù)活或拯救瀕危物種——也提出了關(guān)于生態(tài)責(zé)任和人類干預(yù)的長(zhǎng)期后果的問(wèn)題。

應(yīng)對(duì)這些問(wèn)題不僅需要科學(xué)專業(yè)知識(shí)，還需要持續(xù)的公眾對(duì)話、透明的監(jiān)管框架以及對(duì)全球公平的承諾。獲取先進(jìn)的再生療法必須在不同人口統(tǒng)計(jì)學(xué)和地理區(qū)域之間是公平的，不依賴于支付能力或與先進(jìn)醫(yī)療中心的接近程度。同樣，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)將有必要管理 iPSC 衍生材料的創(chuàng)建、共享和治療使用。

在許多方面，iPSC 的故事是現(xiàn)代科學(xué)的縮影：證明了好奇心驅(qū)動(dòng)的研究、跨學(xué)科合作以及挑戰(zhàn)根深蒂固假設(shè)的意愿的力量。始于單個(gè)實(shí)驗(yàn)室的意外觀察，已經(jīng)重塑了生物學(xué)和醫(yī)學(xué)的輪廓。如果說(shuō)過(guò)去二十年揭示了細(xì)胞命運(yùn)之間的障礙比曾經(jīng)想象的更具滲透性，那么未來(lái)二十年將展示生物學(xué)、技術(shù)和社會(huì)之間的界限同樣具有流動(dòng)性。未來(lái)的挑戰(zhàn)是以想象力、謹(jǐn)慎和對(duì)我們正在創(chuàng)造的世界的共同責(zé)任感來(lái)利用這種新興潛力。

機(jī)器人技術(shù)、人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)的進(jìn)步，將日益自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)并加速數(shù)據(jù)分析，從根本上改變科學(xué)家的日常工作流程。然而，變革性的發(fā)現(xiàn)將繼續(xù)依賴于人類的好奇心、直覺(jué)和對(duì)非傳統(tǒng)思想的追求意愿，而技術(shù)將作為創(chuàng)造性實(shí)驗(yàn)思維的有力放大器，而非替代品。

論文鏈接：

1. https://www.cell.com/fulltext/S0092-8674(06)00976-7

2. https://www.cell.com/cell-stem-cell/fulltext/S1934-5909(26)00073-1