有望用于治疗的功能干细胞研究进展简介

诸平

据《科学日报》（ScienceDaily）网站2014年11月6日报道，美国怀特黑德生物医学研究所（Whitehead Institute for Biomedical Research）和美国麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology简称MIT）的研究人员合作，用成熟细胞创建有望用于移植治疗的诱导神经干细胞(Induced neural stem cells简称iNSCs)，但是其这种能力的潜在优势一直由于累遭失败而受到限制。虽然具有分化多种组织细胞潜能的诱导多功能干细胞(iPS细胞)成为不少干细胞专家的研究重点，人类也已能从已分化的体细胞中培养出iPS细胞。不过，这种干细胞虽可分化成任意组织，但由于其分化能力过强，导致有时不但无法实现目标组织再生，反而分化出癌细胞，形成肿瘤。

2007年，山中伸弥博士利用4种转录因子将成体皮肤细胞转变为类似胚胎干细胞那样发挥作用的细胞，即诱导性多能干细胞(induced multi-potent stem cells简称iPSC)。这些iPSCs像胚胎干细胞那样，能够产生体内几乎所有类型的细胞。2011年，格莱斯顿研究所（Gladstone Institute）高级研究员丁晟（Sheng Ding音译）博士报道，他利用小分子和转录因子的组合来将皮肤细胞直接转变为神经干细胞（neural stem cell简称NSC）。

NSC是星形胶质细胞的一个亚群，具有分裂潜能和自我更新能力的母细胞，它可以通过不对等的分裂方式产生神经组织的各类细胞。美国格莱斯顿研究所（Gladstone Institute）的研究人员在2012年首次利用单个转录因子将皮肤细胞转化为脑细胞，并且它还能够独自发展为一个相互连接的功能性脑细胞网络。科学家们期待这样的细胞转化可能导致人们开发出更好的神经退行性疾病模型来测试药物。研究人员在文章中描述了他们如何导入单个基因Sox2到小鼠和人皮肤细胞中。几天之内，这些皮肤细胞转变为早期阶段的脑干细胞(brain stem cell)，也被称作诱导性神经干细胞(induced neural stem cells, iNSCs)。这种iNSCs开始自我更新，很快就成熟为能够传递电信号的神经元。在一个月内，这些神经元就已形成神经网络。

但是，在2012年这项采取一种新的策略：利用一种转录因子Sox2直接将一种细胞类型转变为另一种细胞类型，并且不用经历产生iPSC的阶段，从而能够避免iPSCs在用于替换或修复受损器官或组织时可能产生肿瘤的潜在危险。德国马克斯·普朗克协会(Max Planck Institute)2012年3月22日曾经宣布，该机构研究人员成功从已分化体细胞——皮肤细胞中培养出成体干细胞，为全球首创。研究人员利用皮肤细胞培养成体干细胞的方法刚好可解决上述问题。因为成体干细胞是一种存在于已分化组织中的未分化细胞，可自我更新并形成特定组织。在实验中，马克斯·普朗克协会的研究人员将实验鼠皮肤细胞放在特定培养环境中，皮肤细胞在特殊生长因子(Brn4/Pou3f4, Sox2,Klf4, c-Myc, plus E47/Tcf3)的诱导下，可以成功“变身”成体神经干细胞(见图1)。

2014年11月6日，怀特黑德生物医学研究所及MIT的科学家合作，又创建了保留在多能状态而重组因子未进行表达的iNSCs，这种情况允许iNSCs自我多次更新生成足够的、可用于治疗的大量细胞。图2表述了怀特黑德生物医学研究所耶尼斯实验室（Whitehead's Jaenisch lab）的科学家，怎样获得iNSCs的过程。在老鼠胚胎成纤维细胞（mouse embryonic fibroblasts简称MEFs)内，通过瞬时过表达转录因子使iNSCs 在转录调节和实验胚胎学（transcriptionally and epigenetically）以及功能化方面与原始的神经干细胞（NSCs）类似。随后,科学家还展示了对来自各种成熟细胞类型,包括利用基因重组得到的肝细胞和B细胞，通过诱导三能iNSCs的血统转换。

怀特黑德研究所创始成员、麻省理工学院的生物学教授鲁道夫·耶尼斯（Rudolf Jaenisch）说：“神经干细胞在治疗上是很重要的,因为其可以自我更新,产生大量细胞。如果你只形成成熟的神经元（这些工作已经由其他研究者完成）,那么你永远不会得到足够的细胞。”

通过直接血统转换而获得iNSCs，研究人员利用病毒将转录因子混合体插入到老鼠的成熟皮肤细胞的基因组，再由药物引起这些转录因子打开神经干细胞内的基因活跃开关。这种直接转换被称为分化转移（transdifferentiation）,绕过了将这些细胞首先通过一种类似于胚胎干细胞状态的步骤。

在以前的研究中,iNSCs仍沉溺于药物和重组转录因子;如果药物或转录因子被撤离,这些细胞即可恢复皮肤细胞或自发分化。耶尼斯实验室的一名科学家约翰·卡萨迪（John Cassady）说：“如果重组转录因子仍然是活跃的,对细胞来说这是极其讨厌的。细胞将无法区分以及由此产生的细胞也不会在治疗上有用。”

2014年11月6日在《干细胞报告》（Stem Cell Reports）网站上发表的鲁道夫·耶尼斯等人的研究论文——John P. Cassady, Ana C. D’Alessio, Sovan Sarkar, Vardhan S. Dani, Zi Peng Fan, Kibibi Ganz, Reinhard Roessler, Mriganka Sur, Richard A.Young, Rudolf Jaenisch. Direct Lineage Conversion of Adult Mouse Liver Cells and B Lymphocytes to Neural Stem Cells. Stem Cell Reports, November 2014 DOI: 10.1016/j.stemcr.2014.10.001.论文报道了约翰·卡萨迪（John Cassady）和其他怀特黑德研究所以及MIT的科学家，他们如何保留细胞的特性而使得重组因子保持沉默的相关研究成果。首先,细胞生长在一种特殊的选择神经干细胞的介质之中，然后,再撤离药物。不是自发的分化,而是iNSCs保持在能分化成神经元和神经胶质细胞的多能态。卡萨迪还采用鸡尾酒式的方法细化重组转录因子的混合体，其中包含了八个转录因子,使生产的iNSCs在转录调节和实验胚胎学上（transcriptionally andepigenetically）类似于老鼠神经干细胞。

干细胞是一类具有自我复制能力（self-renewing）的多潜能细胞。在一定条件下，它可以分化成多种功能细胞。根据干细胞所处的发育阶段分为胚胎干细胞（embryonic stem cell，ES细胞）和成体干细胞（somatic stem cell）。根据干细胞的发育潜能分为三类：全能干细胞（totipotent stem cell，TSC）、多能干细胞（pluripotent stem cell）和单能干细胞（unipotent stem cell）（专能干细胞）。干细胞（Stem Cell）是一种未充分分化，尚不成熟的细胞，具有再生各种组织器官和人体的潜在功能，医学界称为“万用细胞”。

2013年12月1日，美国哥伦比亚大学医学研究中心（Columbia University Medical Center）的科学家首次成功地将人体干细胞转化成了功能性的肺细胞和呼吸道细胞。

2014年元月底，爱尔兰首个可用于人体的干细胞制造中心获得爱尔兰药品管理局（ Irish Medicines Board）的许可，在爱尔兰国立戈尔韦大学（National University of Ireland, Galway，简称NUI Galway）成立。

怀特黑德研究所得卡萨迪指出皮肤细胞的一个随机样可包含神经嵴细胞（neuralcrest cells），这可能更容易使其过渡到iNSCs。为了消除此方法可能实际上依赖于这些细胞具有某种“抢先起步的优势”，卡萨迪将完全成熟的、有一种非常特定遗传标记的B-淋巴球（B-lymphocytes）免疫系统细胞转化为iNSCs。由此产生的iNSCs具有其新的身份形象,但仍然保留了它们的B-淋巴细胞遗传标记,表明卡萨迪的方法确实可以将非神经细胞转化为iNSCs。

    虽然卡萨迪等人的研究方法前途无量,但是，迄今为止所有的工作已经被引入到小鼠细胞进行动物实验。根据卡萨迪的透露,他们的下一个拟定目标将是在人体细胞内进行相关研究，看看是否能够成功地生产治疗使用所必需的细胞群。

更多信息请浏览原文：1-s2.0-S2213671114003075-main.pdf。