NIH四月份宣布要從緊張的經費中撥款，籌建誘導多能干細胞(iPS，Induced Pluripotent Stem
Cells)中心。最近NIH也許因為在招人，我比較密集地聽了一些iPS相關的講座，所以想稍微總結一下，給有生物背景的科學工作者增加一些印象。
細胞核轉移技術誕生的多利羊曾經在中國掀起一陣“克隆”熱。iPS技術的誕生則大大地更進了一步，它直接證明，用四個轉錄因子就可以讓終末分化的體細胞回到原初的多能干細胞狀態。
iPS不僅在生物學理論上有突破，在倫理學上繞過了胚胎干細胞，在實際應用上它也具有非常大的潛力。
Cell Based Therapy:
在異體細胞或者器官移植過程中，免疫排斥一直是個難題。理論上自身的體細胞(比如皮膚細胞或者血液細胞)可以在體外重編排成iPS細胞，而iPS細胞具有多能性，它能分化成任何其它組織特異性的終末分化細胞(比如神經細胞)或者干細胞，這些細胞如果移植到自身體內，則基本上不會產生免疫排斥的問題。通過移植功能性的細胞(或干細胞)，有可能使組織的損傷得到修復更新。比如一些退行性疾病，心臟病，脊柱損傷等就有可能得到治療。
iPS細胞治療的一個好處是，一些有遺傳缺陷的細胞可以在體外修復，然后重新植入體內來修復組織或者器官。
Disease Modeling:
在體內，胚胎初期的干細胞分化出三胚層，胚層再分化成各種各樣的細胞。在體外，多能干細胞能很大程度上重演這個過程。以往研究一個疾病的成因，需要依賴老鼠的模型，而老鼠建模本身很困難，模型和實際的人的疾病也可能相差甚遠。直接用病人的的細胞在體外重編程為iPS細胞，然后讓iPS細胞分化成相關的有疾病的細胞，用正常iPS細胞做對照，觀察這個過程中病人的iPS有哪些缺陷，發生哪些變化，可以為了解這個疾病的發生提供新的工具。除了體外觀察以外，疾病相關的iPS植入沒有免疫力的小鼠，還可以在體內觀察這些變化。
Drug
Screening：干細胞的一個特點是可以在體外無限增殖。大規模藥物篩選通常需要很多細胞，iPS細胞(以及它分化的細胞)是想要多少就可以提供多少。另外疾病特異的iPS細胞本身就是篩藥的目標。比如來自spinal
muscular
atrophy的iPS細胞可能因為某個蛋白的表達下降導致它分化成神經干細胞的能力下降，那么就可以篩選提高iPS這個蛋白表達水平的藥物，看它能否rescue這個iPS的分化能力。這個藥物本身也許就能改善spinal
muscular atrophy [1]。
Personalized
Medicine。如前所述，來自于自體的iPS細胞可以在體外無限增殖。某些藥物只針對某些人群有用，而對另外的人群不僅沒有治療作用而且有副作用。iPS(以及它分化的細胞)就可以為藥物的分型提供幫助。另外，個人化的細胞治療本身也應該屬于Personalized
Medicine范疇。
因為iPS具有非常廣泛的而且在某些方面優于胚胎干細胞(ES，Embryonic Stem
Cells)的應用前景，有關這個技術本身的基礎研究也在如火如荼地展開。
iPS細胞多大程度上等同于ES細胞。除了它們都表達一樣的多能性的marker外，有人做過它們全基因組表達譜的比對。iPS細胞和ES細胞的差異約等于兩個不同的iPS細胞克隆的差異，證明iPS幾乎與ES細胞相同。而動物所周琪組利用iPS細胞培育出小鼠個體，則最終證明iPS細胞和ES細胞具有一樣的多能性[2]。
那么iPS細胞是不是完全和ES細胞一樣呢?也不是。還是有少量基因表達不同，一些在基因組上表觀遺傳(epigenetic)的修飾有差別，分化成某個細胞系的能力也有強有弱。iPS還帶有原細胞的記憶，比如來自血液細胞的iPS，相比于來自于成纖維細胞的iPS，它就更容易重新分化成血液細胞[3]。這些記憶可以通過持續傳代培養，或者一些表觀遺傳相關的藥物處理逐漸消失。
iPS細胞的來源。什么細胞最容易重編排成iPS?要用iPS細胞修復受損的心臟細胞，是不是來源于心臟細胞的iPS更好用?最近有報道取點血樣就可以做成iPS，以后就不用動手術取皮膚組織什么的了[4]。
iPS 重編排的機理。現在做各種細胞信號通路的，small
RNA的，轉錄因子的，表觀遺傳的，都從各個不同角度研究這個reprogramming的機理，還有iPS自我更新，增殖，分化的機理。
提高誘導iPS的效率。現有的誘導iPS的方法效率很低，且這四個轉錄因子一直過表達的話都有致癌嫌疑且可能會影響后續的分化能力。Scripps研究所的丁勝實驗室在這一方面處于領先地位。他用功能性的蛋白質取代過表達的四個轉錄因子，也取得了成功。蛋白質因為在誘導iPS后會慢慢降解，所以大大降低了致癌可能性[5]。最好的辦法還是用小分子來誘導。小分子隨時可以撤走，方便簡易成本低。現在兩個轉錄因子加小分子就可以誘導iPS[6]，我預計不遠的將來，四個轉錄因子都會被小分子取代，且誘導的效率會大大提高。
iPS致癌性的原因。iPS技術的發明者Shinya
Yamanaka現在就在研究如何區分好的和不好的(致癌的)iPS細胞。通過發現好壞的marker，用FACS
分選純的好iPS，致癌性有可能大大降低。
Transdifferentiation。分化的體細胞-iPS-分化的其它細胞的路線用時比較長，人們預計一種類型的細胞可能可以跳過多能干細胞這一環直接轉分化成另一類型的細胞，這個設想已經實現。
iPS細胞的分化。做細胞治療用到的可能是iPS細胞，iPS分化成的干細胞，也可能是功能性的終末分化細胞。iPS在體外高效地分化成組織特異性的細胞在某些細胞系已經得到實現，比如會跳動的心臟細胞，會放電的神經細胞，但是還有很多細胞系沒有實現。篩選能促使、促進細胞分化的小分子，現在也是研究的重點。同樣的，這些小分子在體內可能就能夠直接幫助緩解某些疾病。
iPS技術發明不是很久，它是生物學這么多年研究新出現的一個讓人興奮的熱點，中國現在快速跟進搶占山頭很有必要。在不遠的將來，我預計胰島素依賴的糖尿病(通過iPS分化出能產生胰島素的B-cell并作細胞移植)，白血病(通過iPS/ES重建血液系統)有可能得到根治。癌癥治療投資如此巨大，研究這么多年尚沒有突破性的進展，如果iPS短期內能徹底攻克一兩個現在看來比較容易的病癥，那么iPS/ES的研究還會繼續加溫。
另外本人隨機想到：成體終末分化的細胞能逆分化成多能的(全能的)干細胞，為什么不能誘導出組織特異性的類似于成體干細胞的細胞?比如用血液細胞誘導出血液干細胞，還有肌肉干細胞，皮膚干細胞，神經干細胞等等。理論上這個部分逆分化應該比完全的逆分化更簡單。我預計，通過研究維持成體干細胞多能性的轉錄因子的研究，有可能在不遠的將來會實現這個設想。
NIH了解干細胞基礎的報告：http://stemcells.nih.gov/info/2006report/
NIH最近有關iPS/ES講座的免費視頻：
http://videocast.nih.gov/summary.asp?Live=9470
http://videocast.nih.gov/summary.asp?Live=9447
http://videocast.nih.gov/summary.asp?Live=9450
References:
1. Ebert, A.D., Yu, J., Rose, F.F., Jr., Mattis, V.B., Lorson,
C.L., Thomson, J.A., and Svendsen, C.N. (2009). Induced pluripotent stem cells
from a spinal muscular atrophy patient. Nature 457, 277-280.
2. Zhao, X.Y., Li, W., Lv, Z., Liu, L., Tong, M., Hai, T.,
Hao, J., Guo, C.L., Ma, Q.W., Wang, L., et al. (2009). iPS cells produce viable
mice through tetraploid complementation. Nature 461, 86-90.
3. Kim, K., Doi, A., Wen, B., Ng, K., Zhao, R., Cahan, P.,
Kim, J., Aryee, M.J., Ji, H., Ehrlich, L.I., et al. Epigenetic memory in induced
pluripotent stem cells. Nature.
4. Staerk, J., Dawlaty, M.M., Gao, Q., Maetzel, D., Hanna, J.,
Sommer, C.A., Mostoslavsky, G., and Jaenisch, R. Reprogramming of human
peripheral blood cells to induced pluripotent stem cells. Cell stem cell 7,
20-24.
5. Zhou, H., Wu, S., Joo, J.Y., Zhu, S., Han, D.W., Lin, T.,
Trauger, S., Bien, G., Yao, S., Zhu, Y., et al. (2009). Generation of induced
pluripotent stem cells using recombinant proteins. Cell stem cell 4,
381-384.
6. Shi, Y., Do, J.T., Desponts, C., Hahm, H.S., Scholer, H.R.,
and Ding, S. (2008). A combined chemical and genetic approach for the generation
of induced pluripotent stem cells. Cell stem cell 2, 525-528.
