诱导多能干细胞

   干细胞是一类具有自我更新能力和多向分化潜能的细胞，被誉为“生命之源”或“万用细胞”。根据分化潜能分类，可将干细胞分为全能干细胞、多能干细胞和单能干细胞。多能干细胞可无限增殖并分化成所有三个胚层的细胞，这两种特性使得多能干细胞成为治疗各种疾病的热门选择。目前正在研究两种可用于临床的人类多能干细胞：胚胎干细胞（ESCs）和诱导多能干细胞（iPSCs）。

图1 使用多能干细胞的细胞疗法临床试验[1]

        IPSCs的发现为再生医学领域做出了宝贵贡献，为确定人类ESCs的真正潜力铺平了道路。由于围绕 ESCs 伦理问题的争论仍在继续，iPSCs 已被用于规避人类胚胎的破坏过程[2]，更广泛应用于各类实验研究。

图2 iPSC 细胞生成过程

       iPSC在心脏病中的应用

        在发达国家和发展中国家，包括心血管疾病在内的非传染性疾病已成为死亡的主要原因之一。基于 iPSCs 的疾病模型已被用于研究心脏通道疾病，包括遗传性长 QT 综合征 (LQTS)、扩张型心肌病 (DCM)、肥厚型心肌病 (HCM) 和家族性肺动脉高压 (FPAH)等，围绕 FPAH 的 iPSC 模型已经确定了 BMPR2 信号转导的修饰导致内皮细胞粘附、迁移、存活和血管生成减少。iPSC 技术也在很大程度上被认为可以促进临床前药物试验和动物模型筛选，以克服人类和动物心肌细胞之间电生理特性的差异。研究表明，患者来源的 iPSC 对心脏毒性药物表现出更高的敏感性，这可能是动作电位变化和心律失常的原因。

        iPSC 在退行性疾病中的应用

        退行性疾病通常会经历多个分化阶段，使用 iPSC 模型，可以轻松识别这些转化途径。肌萎缩侧索硬化症 （ALS） 涉及脊髓和运动皮层神经元的丢失，导致瘫痪和死亡。帕金森病 （PD） 是一种常见的慢性进行性疾病，目前研究者已尝试开发患者特异性体外 iPSC 模型以更好地了解疾病病因。研究致力于从零星的 PD 病例中产生 iPSC，这些病例已成功重编程来形成不含重编程因子的多巴胺能神经元。

        iPSC 在血液疾病中的应用

        血液疾病的治疗需要来自骨髓或脐带血的成熟红细胞进行输血，研究者调查了人类多能干细胞，考虑 iPSC 作为无限供应功能性红细胞的替代来源的可能性。使用 iPSC 的优势在于它们能够分化成任何细胞类型，并且可以无限期地维持细胞特性，从而成为细胞替代疗法的潜在来源。

        研究者还致力于开发血液恶性肿瘤的 iPSC 模型，包括骨髓增生异常综合征 （MDS）、急性髓性白血病 （AML） 和骨髓增生性肿瘤 （MPN）。一项研究通过将突变分析与细胞编程相结合，从患者的骨髓和血液中生成不同的 iPSC 克隆，这些克隆代表不同的疾病阶段以及疾病谱，包括易感性、低风险和高风险情况。

        iPSC 在器官功能障碍中的应用

        人类 iPSC 被评估为产生器官的潜在来源，这些器官可以克服短缺和排斥风险的障碍。研究已经探索了从人类 iPSC 生成三维血管化和肝脏器官的可能性。使用 iPSC 技术生成肝细胞样细胞已被审查为从根本上有益于治疗严重肝病、筛查药物毒性、肝移植以及促进基础研究。

       iPSC 在癌症综合征中的应用

       JuLI™ Stage活细胞成像分析系统助力 iPSC 相关研究

        JuLI™ Stage是一款能够长时间放在培养箱内实时监测细胞生长过程，同时进行记录和分析的设备，可通过全自动XY轴进行位点自由选择、多荧光通道成像、自动&手动对焦、图像扫描、Z轴层扫等，实时监控细胞变化。

图3 JuLI™ Stage活细胞成像仪示意图

       加拿大麦吉尔大学蒙特利尔神经病学研究所研究团队于2024年在 iScience 期刊发表一篇名为“Homozygous ALS-linked mutations in TARDBP/TDP-43 lead to hypoactivity and synaptic abnormalities in human iPSC-derived motor neurons”的文章[3]。在这篇文章中，研究人员主要探究突变运动神经元（MNs）的活动变化。

        肌萎缩性脊髓侧索硬化症（ALS）是一种神经退行性疾病，其特征是大脑和脊髓中的MNs丧失运动功能，导致虚弱和瘫痪，通常在发病后两到四年内致命。iPSC为疾病相关突变研究提供了新思路。利用 CRISPR-Cas9 技术优势，通过在对照（野生型）iPSC 株系的基因组中引入感兴趣的突变来生成突变型 iPSC。研究团队已经建立了完善的工作流程，用于 iPSCs 的质量控制、基因编辑和分化成多种细胞类型，包括 MNs。

        研究者借助JuLI™ Stage活细胞成像仪延时记录MNPC 分化为 MN 的整个周期过程。使用图像拼接功能，在10x物镜下共拍摄336个小时，来监测记录实验过程中样本变化过程。

图4 iPSC 连续分化为神经上皮祖细胞 （NEP）、运动神经元祖细胞（MNPC）和运动神经元的结果图

             参考文献

       [1]Yamanaka S. Pluripotent Stem Cell-Based Cell Therapy-Promise and Challenges. Cell Stem Cell. 2020 Oct 1;27(4):523-531.

       [2]Aboul-Soud MAM, Alzahrani AJ, Mahmoud A. Induced Pluripotent Stem Cells (iPSCs)-Roles in Regenerative Therapies, Disease Modelling and Drug Screening. Cells. 2021 Sep 5;10(9):2319.