干細(xì)胞是一類具有自我更新能力和多向分化潛能的細(xì)胞，被譽(yù)為“生命之源”或“萬(wàn)用細(xì)胞”。根據(jù)分化潛能分類，可將干細(xì)胞分為全能干細(xì)胞、多能干細(xì)胞和單能干細(xì)胞。多能干細(xì)胞可無(wú)限增殖并分化成所有三個(gè)胚層的細(xì)胞，這兩種特性使得多能干細(xì)胞成為治療各種疾病的熱門選擇。目前正在研究?jī)煞N可用于臨床的人類多能干細(xì)胞：胚胎干細(xì)胞（ESCs）和誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPSCs）。
 

圖1 使用多能干細(xì)胞的細(xì)胞療法臨床試驗(yàn)[1]

IPSCs的發(fā)現(xiàn)為再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域做出了寶貴貢獻(xiàn)，為確定人類ESCs的真正潛力鋪平了道路。由于圍繞 ESCs 倫理問(wèn)題的爭(zhēng)論仍在繼續(xù)，iPSCs 已被用于規(guī)避人類胚胎的破壞過(guò)程[2]，更廣泛應(yīng)用于各類實(shí)驗(yàn)研究。
 

圖2 iPSC 細(xì)胞生成過(guò)程

iPSC在心臟病中的應(yīng)用

在發(fā)達(dá)國(guó)家和發(fā)展中國(guó)家，包括心血管疾病在內(nèi)的非傳染性疾病已成為死亡的主要原因之一�；�于 iPSCs 的疾病模型已被用于研究心臟通道疾病，包括遺傳性長(zhǎng) QT 綜合征 (LQTS)、擴(kuò)張型心肌病 (DCM)、肥厚型心肌病 (HCM) 和家族性肺動(dòng)脈高壓 (FPAH)等，圍繞 FPAH 的 iPSC 模型已經(jīng)確定了 BMPR2 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的修飾導(dǎo)致內(nèi)皮細(xì)胞粘附、遷移、存活和血管生成減少。iPSC 技術(shù)也在很大程度上可以促進(jìn)臨床前藥物試驗(yàn)和動(dòng)物模型篩選，以克服人類和動(dòng)物心肌細(xì)胞之間電生理特性的差異。研究表明，患者來(lái)源的 iPSC 對(duì)心臟毒性藥物表現(xiàn)出更高的敏感性，這可能是動(dòng)作電位變化和心律失常的原因。

 

退行性疾病通常會(huì)經(jīng)歷多個(gè)分化階段，使用 iPSC 模型，可以輕松識(shí)別這些轉(zhuǎn)化途徑。肌萎縮側(cè)索硬化癥 （ALS） 涉及脊髓和運(yùn)動(dòng)皮層神經(jīng)元的丟失，導(dǎo)致癱瘓和死亡。帕金森病 （PD） 是一種常見的慢性進(jìn)行性疾病，目前研究者已嘗試開發(fā)患者特異性體外 iPSC 模型以更好地了解疾病病因。研究致力于從零星的 PD 病例中產(chǎn)生 iPSC，這些病例已成功重編程來(lái)形成不含重編程因子的多巴胺能神經(jīng)元。
 

血液疾病的治療需要來(lái)自骨髓或臍帶血的成熟紅細(xì)胞進(jìn)行輸血，研究者調(diào)查了人類多能干細(xì)胞，考慮 iPSC 作為無(wú)限供應(yīng)功能性紅細(xì)胞的替代來(lái)源的可能性。使用 iPSC 的優(yōu)勢(shì)在于它們能夠分化成任何細(xì)胞類型，并且可以無(wú)限期地維持細(xì)胞特性，從而成為細(xì)胞替代療法的潛在來(lái)源。

 

研究者還致力于開發(fā)血液惡性腫瘤的 iPSC 模型，包括骨髓增生異常綜合征 （MDS）、急性髓性白血病 （AML） 和骨髓增生性腫瘤 （MPN）。一項(xiàng)研究通過(guò)將突變分析與細(xì)胞編程相結(jié)合，從患者的骨髓和血液中生成不同的 iPSC 克隆，這些克隆代表不同的疾病階段以及疾病譜，包括易感性、低風(fēng)險(xiǎn)和高風(fēng)險(xiǎn)情況。

 

人類 iPSC 被評(píng)估為產(chǎn)生器官的潛在來(lái)源，這些器官可以克服短缺和排斥風(fēng)險(xiǎn)的障礙。研究已經(jīng)探索了從人類 iPSC 生成三維血管化和肝臟器官的可能性。使用 iPSC 技術(shù)生成肝細(xì)胞樣細(xì)胞已被審查為從根本上有益于治療嚴(yán)重肝病、篩查藥物毒性、肝移植以及促進(jìn)基礎(chǔ)研究。

 

iPSC 的產(chǎn)生用于模擬許多疾病的發(fā)病機(jī)制，其中引人注意的是在癌癥中的應(yīng)用。傳統(tǒng)的癌細(xì)胞系可能會(huì)隨著時(shí)間的推移而失去原始腫瘤的特征，而 iPSC 模型有助于克服這些障礙。已確定的 iPSC 重編程策略可幫助癌細(xì)胞分化為目標(biāo)細(xì)胞系，從而有助于研究癌癥進(jìn)展的各個(gè)不同階段。從原發(fā)性腫瘤和癌細(xì)胞系中培育出的 iPSCs 是研究家族性癌癥綜合征早期基因改變的寶貴工具，對(duì)于了解疾病的發(fā)病機(jī)制至關(guān)重要。
 

JuLI™ Stage是一款能夠長(zhǎng)時(shí)間放在培養(yǎng)箱內(nèi)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)細(xì)胞生長(zhǎng)過(guò)程，同時(shí)進(jìn)行記錄和分析的設(shè)備，可通過(guò)全自動(dòng)XY軸進(jìn)行位點(diǎn)自由選擇、多熒光通道成像、自動(dòng)&手動(dòng)對(duì)焦、圖像掃描、Z軸層掃等，實(shí)時(shí)監(jiān)控細(xì)胞變化。
 

圖3 JuLI™ Stage活細(xì)胞成像儀示意圖

加拿大麥吉爾大學(xué)蒙特利爾神經(jīng)病學(xué)研究所研究團(tuán)隊(duì)于2024年在iScience期刊發(fā)表一篇名為“Homozygous ALS-linked mutations in TARDBP/TDP-43 lead to hypoactivity and synaptic abnormalities in human iPSC-derived motor neurons”的文章[3]。在這篇文章中，研究人員主要探究突變運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元（MNs）的活動(dòng)變化。

肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化癥（ALS）是一種神經(jīng)退行性疾病，其特征是大腦和脊髓中的MNs喪失運(yùn)動(dòng)功能，導(dǎo)致虛弱和癱瘓，通常在發(fā)病后兩到四年內(nèi)致命。iPSC為疾病相關(guān)突變研究提供了新思路。利用 CRISPR-Cas9 技術(shù)優(yōu)勢(shì)，通過(guò)在對(duì)照（野生型）iPSC 株系的基因組中引入感興趣的突變來(lái)生成突變型 iPSC。研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)建立了完善的工作流程，用于 iPSCs 的質(zhì)量控制、基因編輯和分化成多種細(xì)胞類型，包括 MNs。

研究者借助JuLI™ Stage活細(xì)胞成像儀延時(shí)記錄MNPC 分化為 MN 的整個(gè)周期過(guò)程。使用圖像拼接功能，在10x物鏡下共拍攝336個(gè)小時(shí)，來(lái)監(jiān)測(cè)記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程中樣本變化過(guò)程。
 

圖4 iPSC 連續(xù)分化為神經(jīng)上皮祖細(xì)胞 （NEP）、運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元祖細(xì)胞（MNPC）和運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的結(jié)果圖

參考文獻(xiàn)：
[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.
[3]Lépine S, Nauleau-Javaudin A, Deneault E, Chen CX, Abdian N, Franco-Flores AK, Haghi G, Castellanos-Montiel MJ, Maussion G, Chaineau M, Durcan TM. Homozygous ALS-linked mutations in TARDBP/TDP-43 lead to hypoactivity and synaptic abnormalities in human iPSC-derived motor neurons. iScience. 2024 Feb 9;27(3):109166.