誘導多能干細胞（iPSc）在退行性疾病治療中的應用

研究人員就可以從人類早期胚胎中分離得到胚胎干細胞，由于其具有可在體外擴增及分化成多種類型成體細胞的潛能，為組織修復與再生帶來了新希望，然而人類胚胎干細胞存在的道德倫理問題，限制了研究人員對其研究及使用。

分別證明了植物成體細胞、動物成體細胞核具有全能性，即成熟的植物體細胞及動物體細胞細胞核具備發(fā)育成完整個體的能力。2006年，日本科學家Shinya Yamanaka率先使用四個轉錄因子的組合將小鼠這種哺乳動物的成體細胞逆轉成類似小鼠3.5天囊胚內細胞團細胞（小鼠始發(fā)態(tài)多能干細胞）樣的細胞，即誘導多能干細胞（induced pluripotency stem cells，iPSCs），時隔一年，該課題組又獲得了成纖維細胞來源的人類誘導多能干細胞（human induced pluripotency stem cells，hiPSCs），部分解決了干細胞在疾病治療中的倫理問題。隨后研究人員又優(yōu)化出多種體細胞重編程方法。體細胞重編程技術的建立，不僅為干細胞生物學的體外研究提供了平臺，也為再生醫(yī)學的發(fā)展奠定了堅實基礎，聯(lián)合基因編輯技術、體外類器官3D培養(yǎng)技術，iPSCs可應用于疾病模型構建、藥物篩選及細胞治療等多個方面。

衰老是生命自然發(fā)展過程中伴隨發(fā)生的一種組織器官功能減退的慢性綜合征，常伴隨各類退行性疾病的發(fā)生，例如神經(jīng)退行性疾病，常見有阿爾茨海默病（AD）、亨廷頓病、肌萎縮側索硬化癥（ALS）等；眼睛相關退行性疾病，常見有黃斑變性、糖尿病視網(wǎng)膜病變、黃斑營養(yǎng)不良等；關節(jié)相關退行性疾病，常見有骨關節(jié)炎，創(chuàng)傷性關節(jié)炎等。中國的人口老齡化增速逐年提高，人口老齡化比例在全球已處于中上水平，2021年中國65歲以上人口已達2億，占比14.2%，2021年中國人口平均預期壽命達78歲，隨著醫(yī)療水平和群眾健康意識的提高，未來仍有較大空間。人口老齡化比例的持續(xù)上升伴隨著新生兒出生比例的不斷下降，如何提高老年人生存質量是亟待解決的問題，如何減緩甚至逆轉人體老化趨勢，是再生醫(yī)學領域面臨的新挑戰(zhàn)。已有眾多研究人員對iPSCs在神經(jīng)相關退行性疾病中的應用進行了描述，本文主要總結了iPSCs在眼睛及關節(jié)相關退行性疾病的治療及疾病模型構建中的部分進展，具體內容如下。

一、iPSCs治療衰老相關退行性疾病中的應用

隨著全世界人口老齡化加劇，罹患各類退行性疾病的人口基數(shù)也在逐年增加，iPSCs在其中的應用價值也凸顯出來，其主要可包括四個方面的應用，其一是利用患者或健康個體來源的iPSCs，在體內或體外進行誘導分化，使其形成某具體退行性疾病中所需要的成體細胞類型，通過手術移植等方法回輸?shù)交颊唧w內，起到細胞替代治療的作用；其二是利用iPSCs誘導得到特殊種類的細胞，可優(yōu)化該退行性疾病相關器官或組織所在位置的微環(huán)境，從而抑制或者減緩該疾病進一步發(fā)生發(fā)展；其三是利用iPSCs構建該疾病的疾病模型，也可進一步輔助類器官誘導培養(yǎng)技術，在體外篩選可用于治療或改善相應疾病的藥物分子，并且可做到個性化針對性篩選；其四是可將衰老患者的細胞取出，通過重編程方法得到與患者基因型一致并可在體外擴增的iPSCs，輔助遺傳學研究手段，探索疾病內在發(fā)生機制，篩選疾病早期標記，起到早介入、早干預的作用。目前研究人員已將iPSCs應用于多種退行性疾病的治療，為應對老齡化浪潮的到來提供了新支持。

二、iPSCs治療黃斑病變的研究進展

眼睛是一種免疫豁免型器官，基本免于自身免疫系統(tǒng)的攻擊，因此也是干細胞治療的理想靶器官，黃斑變性是一種眼內發(fā)生，且與衰老相關的嚴重視網(wǎng)膜退行性疾病，發(fā)病患者群面臨較大的失明風險，主要與遺傳因素、自然衰老及環(huán)境影響相關，現(xiàn)有藥物及手術治療方法均未能達到理想治療效果。2017年，第一例使用iPSCs治療老年性黃斑病變的案例被發(fā)表，研究人員將視網(wǎng)膜黃斑病變患者來源的皮膚細胞，誘導成iPSCs， 再于體外進行分化，形成視網(wǎng)膜色素上皮細胞，手術移植到患者視網(wǎng)膜下間隙。雖然這項研究并未對患者的眼部視力情況起到明顯改善作用，但在隨后的25個月隨訪中并未發(fā)生嚴重不良事件，例如視網(wǎng)膜脫落及嚴重視網(wǎng)膜出血，也未檢測到免疫排斥及腫瘤發(fā)生，此項研究極大增強了研究人員對iPSCs治療眼部疾病的信心。在2015年，先后有兩個課題組報道了直接將人胚胎干細胞懸液注射進患者視網(wǎng)膜下間隙治療黃斑病變等眼底疾病，部分患者視力得到明顯改善，然而2018年的一篇報道中，研究人員使用類似方法治療晚期黃斑病變患者，患者視力并未得到明顯改善。2023年報道的一項Ⅰ期臨床試驗中，研究人員將人胚胎干細胞來源的視網(wǎng)膜色素上皮細胞懸液注射進患者視網(wǎng)膜下間隙，也并未改善患者視力情況?？紤]到視網(wǎng)膜結構的特殊性，研究人員開始聯(lián)合可生物降解材料及治療用細胞，使其形成單層結構再移植到視網(wǎng)膜下間隙，先后有兩個課題組報道了這種新的移植方法的有效性，均可以改善患者視力情況。在細胞治療中，使用不同的外科手術方法，也會對患者的治療效果產(chǎn)生不同影響。iPSCs在視力相關退行性疾病中的應用研究，研究人員已經(jīng)做出了多種嘗試，有些已進入Ⅲ期臨床試驗階段，相信在不久的將來，iPSCs療法將成為治療黃斑病變等眼部疾病的優(yōu)選方案。

三、iPSCs在骨關節(jié)炎疾病模型構建中的研究進展

骨關節(jié)炎也是一種衰老相關的退行性疾病，全世界約有2.5億人飽受骨關節(jié)炎的困擾，有研究報道向關節(jié)腔內注射衰老軟骨細胞可導致骨關節(jié)炎發(fā)生，伴隨著衰老的進程，關節(jié)軟骨中的衰老細胞數(shù)量逐步積累。關節(jié)負重過載或機械應力、炎癥環(huán)境、氧化應激、代謝或能量短缺、自噬、肥胖、衰老等均可導致骨關節(jié)炎的發(fā)生，目前主要通過藥物或免疫療法治療骨關節(jié)炎。然而藥物治療靶點較為單一，在骨關節(jié)炎這種多因素疾病上的治療效果甚微，且大多只有短期療效，不同個體間治療效果差異較大，基于iPSCs的細胞替代療法及疾病模型構建已被驗證是個性化再生醫(yī)學治療中的強大手段，為高通量藥物篩選平臺構建提供了前所未有的機會，或可給骨關節(jié)炎治療帶來新希望。2011年已有研究組獲得了骨關節(jié)炎患者來源的iPSCs，隨后有多個課題組從患者來源的iPSCs中發(fā)現(xiàn)了許多新的與骨發(fā)育相關的基因突變，通過體外分化后的細胞功能研究，證實了這些突變與骨關節(jié)炎的發(fā)生發(fā)展相關。為進行體外建模，研究人員發(fā)展出了多種將iPSCs定向分化成軟骨細胞的方法，主要是利用間充質干細胞或軟骨細胞共培養(yǎng)輔助生長因子處理，或者借助EB的自然分化得到軟骨細胞，二維培養(yǎng)得到的軟骨細胞由于缺少組織結構，細胞形態(tài)也不成熟，常見的三維培養(yǎng)方法有輔助生物工程支架培養(yǎng)及三維類器官培養(yǎng)。生物工程支架主要功能為模仿胞外基質，給細胞提供空間信息，常見材料有水凝膠、納米纖維及細胞組織提取物。三維類器官培養(yǎng)主要是利用細胞的體外自組裝能力，由于其操作的便捷性，有很大潛力成為藥物篩選和個性化醫(yī)療的主流?，F(xiàn)已有課題組聯(lián)合三維生物打印技術與細胞共培養(yǎng)技術產(chǎn)生了一些與自體軟骨移植類似效果的軟骨樣組織。骨關節(jié)炎是一種系統(tǒng)性的疾病，涉及到多種細胞類型及細胞微環(huán)境，利用三維空間建模的方法更有助于軟骨細胞的分化及疾病模擬。

四、iPSCs治療退行性疾病的優(yōu)勢與挑戰(zhàn)

可誘導產(chǎn)生hiPSCs的起始細胞來源廣泛，常見的有皮膚細胞、血細胞以及尿液細胞，為避免移植細胞的癌化，研究人員已經(jīng)開發(fā)出多種誘導方法，例如使用非整合型方法轉入多能性誘導因子及避免癌基因的使用等，其中，純化合物誘導獲得iPSCs 的方法使得iPSCs應用的安全性得到進一步保障。相較于胚胎干細胞，iPSCs的使用不僅一定程度上避免了倫理問題，也大程度地避免了免疫排斥反應。使用患者來源的iPSCs進行疾病模型構建，相較于使用動物模型具有顯而易見的優(yōu)勢，也為個性化醫(yī)療帶來了新曙光。然而，由于iPSCs具有的無限增殖及分化能力，且研究人員對其內在的細胞命運調控機制研究仍存在較大空缺，其使用安全性仍需考慮。世界范圍內暫無標準的iPSCs評估及臨床使用規(guī)范，配套的外科手術移植方法也需要進一步提高。此外，目前研究人員使用的iPSCs體外誘導分化方法效率較低，得到的細胞具有異質性高且功能不成熟等特點，各類體外誘導分化策略也有待改善。對于iPSCs在衰老相關退行性疾病的應用，需要基礎研究及應用研究的共同努力。