諾獎(jiǎng)得主山中伸彌回顧并展望iPSC研究二十年：從發(fā)現(xiàn)到多樣化應(yīng)用

編譯丨王聰

編輯丨王多魚

排版丨水成文

2006 年，山中伸彌（Shinya Yamanaka）和他的學(xué)生兼助手高橋和利（Kazutoshi Takahashi）在 Cell 期刊發(fā)表論文【1】，首次發(fā)下只需表達(dá)四個(gè)因子——Oct3/4、Sox2、c-Myc 和 Klf4，就能從小鼠胚胎或成纖維細(xì)胞中誘導(dǎo)出多能干細(xì)胞，他們將其命名為誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPSC），這一發(fā)現(xiàn)為山中伸彌贏得了 2012 年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。

這一最初的意外發(fā)現(xiàn)迅速改變了全球的干細(xì)胞生物學(xué)和再生醫(yī)學(xué)，如今，二十年過去了，我們對細(xì)胞重編程和多能性的分子機(jī)制有了深刻理解。iPSC 技術(shù)也不斷發(fā)展——變得更安全、更高效、更通用，正成為從疾病建模、藥物發(fā)現(xiàn)到再生療法及抗衰老研究等廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)。

近日，諾貝爾獎(jiǎng)得主山中伸彌教授在Cell Stem Cell期刊發(fā)表了題為：Two decades of induced pluripotent stem cell research: From discovery to diverse applications 的文章【2】。

在這篇文章中，山中伸彌教授回顧了 iPSC 的科學(xué)歷程，強(qiáng)調(diào)了對重編程理解的關(guān)鍵里程碑，并探討了 iPSC 不斷擴(kuò)大的臨床和社會影響。

“山中博士，請來看看這些細(xì)胞。它們看起來像胚胎干細(xì)胞（ESC）。”

那是 2005 年的夏天，高橋和利沖進(jìn)我的辦公室宣布了這件事。他將 24 個(gè)候選基因——被鑒定為在小鼠胚胎干細(xì)胞中高表達(dá)——引入了小鼠胚胎成纖維細(xì)胞。為了監(jiān)測重編程，我們改造了這些成纖維細(xì)胞，使得它們只有在激活胚胎干細(xì)胞（ESC）特異性基因表達(dá)時(shí)才能在 G418 篩選下存活。在顯微鏡下，我看到了幾個(gè)在形態(tài)上類似于小鼠胚胎干細(xì)胞的克隆。我告訴高橋：“別激動(dòng)。這很可能是污染。”當(dāng)然，后來的事實(shí)證明，我錯(cuò)了。

2005 年夏天觀察到的首批 iPSC 克隆之一

我大約在 2000 年第一次成為獨(dú)立研究員時(shí)，開始認(rèn)真思考細(xì)胞重編程。核移植實(shí)驗(yàn)和轉(zhuǎn)錄因子介導(dǎo)的細(xì)胞命運(yùn)轉(zhuǎn)換研究表明，分化狀態(tài)原則上是可以逆轉(zhuǎn)的。然而，多能性——細(xì)胞可塑性的最極端形式——是否能僅由確定的因子誘導(dǎo)，這完全不清楚，我當(dāng)時(shí)認(rèn)為，解決這個(gè)問題可能需要數(shù)十年之久。

山中伸彌

讓我有信心嘗試這個(gè)實(shí)驗(yàn)的想法是，多能性是由一個(gè)相對較小的核心調(diào)控網(wǎng)絡(luò)而非數(shù)百個(gè)獨(dú)立組件來維持的。胚胎細(xì)胞似乎由數(shù)量有限的、通過強(qiáng)化反饋回路連接的轉(zhuǎn)錄因子所穩(wěn)定。如果是這樣，強(qiáng)制表達(dá)正確的組合可能足以重置細(xì)胞身份。盡管如此，我們最初并未期望實(shí)驗(yàn)會成功。我們最初的計(jì)劃是使用逆轉(zhuǎn)錄病毒 cDNA 文庫進(jìn)行大規(guī)模篩選，而 24 因子實(shí)驗(yàn)是作為驗(yàn)證我們篩選系統(tǒng)的試點(diǎn)構(gòu)思的。如果它失敗了，我們會繼續(xù)進(jìn)行基于文庫的無偏倚發(fā)現(xiàn)。

高橋重復(fù)了實(shí)驗(yàn)，并持續(xù)獲得類似的克隆。通過系統(tǒng)性地剔除，他將基因集縮小到四個(gè)——Oct3/4、Sox2、Klf4和c-Myc（合成為OSKM）。由這四個(gè)因子誘導(dǎo)的細(xì)胞表現(xiàn)出多能干細(xì)胞的特性。這就是誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（induced Pluripotent Stem Cell，iPSC）的誕生。

到我們向Cell期刊投稿時(shí)，我們已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室確認(rèn)了 iPSC 誘導(dǎo)的可重復(fù)性。然而，我們?nèi)該?dān)心其他人使用不同的手法、試劑和設(shè)備是否能重復(fù)出來。我們的擔(dān)憂被證明是多余的——在不到一年時(shí)間里，世界各地的多個(gè)實(shí)驗(yàn)室成功利用小鼠和人類細(xì)胞生成了 iPSC。胚胎干細(xì)胞研究從小鼠過渡到人類用了 17 年，而建立在胚胎干細(xì)胞研究基礎(chǔ)上的 iPSC 技術(shù)僅用 1 年就完成了這一過渡。此后，數(shù)千項(xiàng)研究探索了這項(xiàng)技術(shù)的幾乎每個(gè)方面，從分子機(jī)制到轉(zhuǎn)化應(yīng)用。

在這篇文章中，山中伸彌教授重點(diǎn)介紹了塑造我們對 iPSC 重編程理解和醫(yī)學(xué)應(yīng)用的里程碑式發(fā)現(xiàn)，并討論了二十年以來不斷涌現(xiàn)的廣泛的當(dāng)前和未來應(yīng)用。

重編程機(jī)制、iPSC 及相關(guān)技術(shù)的醫(yī)學(xué)應(yīng)用的標(biāo)志性論文

重訪重編程效率：對“精英”與“隨機(jī)”辯論的細(xì)致解析

重編程最初令人震驚，不僅因?yàn)樗赡軐?shí)現(xiàn)，還因?yàn)樗实拖隆Ｔ缙趫?bào)告指出，只有極少部分的細(xì)胞成功重新激活了多能性程序。這種低效引發(fā)了一場關(guān)于“精英模型”和“隨機(jī)模型”支持者之間的熱烈辯論。

精英模型假設(shè)，在一個(gè)異質(zhì)性群體中，只有稀有細(xì)胞——可能是祖細(xì)胞或類干細(xì)胞——保留了固有的可塑性，使其能夠?qū)?OSKM 做出反應(yīng)。這些細(xì)胞被認(rèn)為擁有更易接近的染色質(zhì)環(huán)境或更有利的增殖能力。

隨機(jī)模型提出了一個(gè)更激進(jìn)的想法：所有體細(xì)胞都具有重編程的能力，但該過程需要一系列罕見的分子事件，而這些事件發(fā)生的概率很低。從這個(gè)角度來看，低效率反映了任務(wù)的復(fù)雜性，而不是起始群體的局限性。

隨著該領(lǐng)域數(shù)據(jù)的積累，情況變得清晰——兩種模型都捕捉到了部分真相。次級 iPSC 誘導(dǎo)系統(tǒng)的發(fā)展極大地促進(jìn)了數(shù)據(jù)積累。重編程的早期階段是高度異質(zhì)性的。單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析顯示，細(xì)胞會經(jīng)歷不穩(wěn)定的中間狀態(tài)，其特征是體細(xì)胞身份的局部丟失和早期多能性相關(guān)基因的零星激活。只有其中一些細(xì)胞進(jìn)展到足以激活核心多能性網(wǎng)絡(luò)，而其他細(xì)胞則轉(zhuǎn)向死胡同或恢復(fù)為體細(xì)胞表達(dá)模式。

然而，該領(lǐng)域也了解到，體細(xì)胞的初始狀態(tài)至關(guān)重要。角質(zhì)形成細(xì)胞的重編程效率遠(yuǎn)高于成纖維細(xì)胞，因?yàn)樗鼈兊娜旧|(zhì)環(huán)境天生就更容易接近。血液祖細(xì)胞比重編程末期的淋巴細(xì)胞更容易。衰老、氧化應(yīng)激、線粒體功能障礙和代謝靈活性改變都會影響重編程的易感性。因此，雖然隨機(jī)性主導(dǎo)早期事件，但體細(xì)胞狀態(tài)與多能性之間的表觀遺傳“距離”決定了細(xì)胞穿越重編程“景觀”的可能性。

這種細(xì)致的理解強(qiáng)調(diào)了內(nèi)在細(xì)胞特性與概率性轉(zhuǎn)變之間的相互作用。重編程既非完全確定性，也非完全隨機(jī)——它是一個(gè)受起始狀態(tài)和重塑身份的分子事件序列共同影響的混合過程。

細(xì)胞重編程的機(jī)制：解碼可塑性的邏輯

重編程是一個(gè)戲劇性的生物學(xué)事件。它不僅需要抑制體細(xì)胞身份，還需要重建一個(gè)類似于早期胚胎的多能狀態(tài)。這種轉(zhuǎn)變通過轉(zhuǎn)錄重組、表觀遺傳重塑、代謝重連和細(xì)胞結(jié)構(gòu)變化的交織波次展開。

OSKM 誘導(dǎo)后的最初幾天內(nèi)會發(fā)生第一個(gè)可觀察到的轉(zhuǎn)變。體細(xì)胞轉(zhuǎn)錄因子開始失去主導(dǎo)地位，其增強(qiáng)子逐漸關(guān)閉。同時(shí)，細(xì)胞經(jīng)歷間質(zhì)-上皮轉(zhuǎn)化（MET），這一事件令該領(lǐng)域感到驚訝，因?yàn)樗沂玖思?xì)胞粘附和極性信號對于實(shí)現(xiàn)向多能性轉(zhuǎn)變至關(guān)重要。MET 反映了細(xì)胞遠(yuǎn)離成纖維細(xì)胞身份、轉(zhuǎn)向更類似上皮、胚胎樣狀態(tài)的過程。角質(zhì)形成細(xì)胞的重編程效率高于成纖維細(xì)胞，因?yàn)樗鼈儽举|(zhì)上是上皮性的，繞過了對 MET 的需求。

這種轉(zhuǎn)變通常伴隨著代謝變化。嚴(yán)重依賴氧化磷酸化的體細(xì)胞減少了線粒體活性，并開始傾向于糖酵解，這是多能干細(xì)胞的一個(gè)標(biāo)志。線粒體自身也經(jīng)歷形態(tài)重構(gòu)，變得更小、更不細(xì)長——這是代謝轉(zhuǎn)變的視覺表現(xiàn)。

重編程需要染色質(zhì)的廣泛重構(gòu)。多能性基因通常被鎖定在帶有 H3K9me3 或 DNA 甲基化的抑制性染色質(zhì)中。OSKM 的表達(dá)啟動(dòng)了染色質(zhì)開放的緩慢、復(fù)雜過程。TET 酶催化多能性增強(qiáng)子的去甲基化，組蛋白修飾復(fù)合物去除抑制性標(biāo)記。染色質(zhì)重塑因子例如 BRG1 有助于重新定位核小體，為多能性基因激活創(chuàng)造有利環(huán)境。

體細(xì)胞增強(qiáng)子的去除和多能性增強(qiáng)子的逐漸出現(xiàn)，凸顯了染色質(zhì)結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)錄之間的動(dòng)態(tài)相互作用。增強(qiáng)子-啟動(dòng)子距離發(fā)生變化，環(huán)狀相互作用重新排列，先前沉默的基因組區(qū)域?yàn)榧せ钭龊脺?zhǔn)備。

核心多能性調(diào)控因子的激活代表了重編程的一個(gè)臨界點(diǎn)。Nanog、Oct4、Sox2 和 Esrrb 形成相互連接的反饋回路，穩(wěn)定了多能性身份。一旦這個(gè)網(wǎng)絡(luò)建立，細(xì)胞就從一種不穩(wěn)定的中間狀態(tài)過渡到一個(gè)更具決定性的階段，此時(shí)結(jié)果變得可預(yù)測。

在此階段，細(xì)胞周期加速，G1 檢查點(diǎn)縮短，DNA 修復(fù)通路進(jìn)行調(diào)整以支持多能細(xì)胞特有的增殖增加。染色質(zhì)整體上變得更易接近，反映了一個(gè)為快速分化成多種譜系做好準(zhǔn)備的多能性基因組。

隨著多組學(xué)技術(shù)的成熟，人們明顯看到僅靠轉(zhuǎn)錄因子并不能控制重編程。小 RNA 在從體細(xì)胞向多能身份轉(zhuǎn)變過程中微調(diào)基因表達(dá)。RNA 結(jié)合蛋白影響對身份轉(zhuǎn)換至關(guān)重要的剪接模式，而長鏈非編碼 RNA 調(diào)控增強(qiáng)子活性并穩(wěn)定中間狀態(tài)。這些調(diào)節(jié)因子共同幫助編排定義重編程的復(fù)雜分子事件之舞。

隨著單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)、染色質(zhì)可及性測序、甲基化譜分析、蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)的整合，該領(lǐng)域現(xiàn)在接近對重編程軌跡的全面理解。最佳輸運(yùn)模型等計(jì)算框架允許研究人員重建數(shù)千個(gè)單個(gè)細(xì)胞的軌跡，揭示替代路徑、繞行和瓶頸。

重編程不再被視為一條簡單的通路，而是被視為一個(gè)由轉(zhuǎn)錄、染色質(zhì)、代謝和細(xì)胞生理學(xué)相互作用塑造的多維“景觀”。

iPSC 的醫(yī)學(xué)應(yīng)用：從早期質(zhì)疑到成熟的轉(zhuǎn)化渠道

從一開始，iPSC 在再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域就擁有巨大潛力。然而，從概念到臨床的旅程遠(yuǎn)非一帆風(fēng)順。早年充滿了對安全性、可重復(fù)性、基因組完整性和分化潛能的合理擔(dān)憂。隨著時(shí)間的推移，謹(jǐn)慎的實(shí)驗(yàn)和方法論的改進(jìn)將這些挑戰(zhàn)轉(zhuǎn)化為創(chuàng)新的機(jī)會。

早期的 iPSC 生成依賴于有插入突變風(fēng)險(xiǎn)的整合型病毒載體。這些方法雖然有效，但引發(fā)了臨床應(yīng)用方面的擔(dān)憂。非整合系統(tǒng)的開發(fā)——附加型質(zhì)粒、腺病毒、仙臺病毒、piggyBac、合成 mRNA，以及最終基于小分子的方法——代表了一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。這些平臺不僅消除了基因組整合的風(fēng)險(xiǎn)，還簡化了下游的質(zhì)量控制并提高了可擴(kuò)展性。

初步研究報(bào)告了 iPSC 中令人擔(dān)憂的拷貝數(shù)變異和突變水平。然而，更深入的分析揭示，大多數(shù)是預(yù)先存在的體細(xì)胞嵌合突變，而非重編程的假象。盡管如此，這些發(fā)現(xiàn)促使廣泛采用嚴(yán)格的基因組質(zhì)量控制流程。深度測序、甲基化譜分析、核型分析和線粒體基因組分析現(xiàn)在構(gòu)成了 iPSC 表征的標(biāo)準(zhǔn)組成部分。

殘留表觀遺傳記憶——供體細(xì)胞特異性甲基化模式的持續(xù)存在——也通過偏向分化潛力構(gòu)成了挑戰(zhàn)。重編程動(dòng)力學(xué)、傳代方案和因子表達(dá)的改進(jìn)已在很大程度上解決了這些問題，產(chǎn)生的 iPSC 在分子和功能特性上與胚胎干細(xì)胞高度相似。

基因匹配比較表明，人類胚胎干細(xì)胞和 iPSC 在分子和功能上基本等同，遺傳背景是表觀差異的主要混雜因素。盡管如此，細(xì)胞系間的變異和不完全的重編程事件——特別是在印記、X 染色體狀態(tài)和高階基因組程序等特定表觀遺傳特征方面——可以以情境依賴的方式影響表型。

從 iPSC 和胚胎干細(xì)胞獲得成熟細(xì)胞類型是該領(lǐng)域早期的瓶頸之一。初始的分化方案產(chǎn)生了類似于胎兒而非成體組織的細(xì)胞。隨著時(shí)間的推移，發(fā)育生物學(xué)的進(jìn)步使得能夠創(chuàng)建逐步的方案，以越來越精確地重述胚胎信號通路。類器官技術(shù)通過提供模擬體內(nèi)微環(huán)境的 3D 環(huán)境，進(jìn)一步改善了分化結(jié)果。

如今，iPSC 來源的心肌細(xì)胞表現(xiàn)出更成熟的表型，可以從人類 iPSC 來源的類器官芽中生成血管化和功能性的肝組織，并且 iPSC 來源的神經(jīng)元形成功能性突觸網(wǎng)絡(luò)。雖然完美的成體樣成熟仍然是一個(gè)前沿領(lǐng)域，但該領(lǐng)域已經(jīng)從原理證明演示發(fā)展到高度復(fù)雜的細(xì)胞模型。

一個(gè)成熟領(lǐng)域的標(biāo)志之一是全球標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展。iPSC 領(lǐng)域很早就接受了這一必要性，采用了多能性評分卡、標(biāo)準(zhǔn)化報(bào)告框架和符合良好生產(chǎn)規(guī)范的工作流程。國際聯(lián)盟現(xiàn)在協(xié)調(diào)最佳實(shí)踐，以確保全球分發(fā)的 iPSC 細(xì)胞系符合一致的基準(zhǔn)，例如國際干細(xì)胞庫倡議和人類多能干細(xì)胞注冊中心。

基于 iPSC 的再生療法：從概念承諾到臨床現(xiàn)實(shí)

臨床前研究證實(shí)，iPSC 來源的細(xì)胞可以在宿主組織內(nèi)存活、整合并發(fā)揮功能。在帕金森病模型中，移植的多巴胺能神經(jīng)元恢復(fù)了多巴胺的產(chǎn)生并改善了運(yùn)動(dòng)功能。在心臟損傷模型中，iPSC 來源的心肌細(xì)胞與宿主心肌同步。來自 iPSC 的視網(wǎng)膜色素上皮細(xì)胞表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)性整合和對光感受器的支持。

這些成功為推進(jìn)到首次人體試驗(yàn)提供了必要的依據(jù)。早期的基于 iPSC 的試驗(yàn)，一個(gè)用于年齡相關(guān)性黃斑變性，另一個(gè)用于帕金森病，不僅證明了可行性，也證明了自體 iPSC 來源移植物安全性。這些試驗(yàn)突顯了細(xì)致制造、長期監(jiān)測和基因組篩查的重要性——所有這些要素后來都被納入了全球臨床實(shí)踐。

在這些早期試驗(yàn)之后，臨床項(xiàng)目迅速擴(kuò)展。已使用 iPSC 和胚胎干細(xì)胞進(jìn)行了超過一百項(xiàng)臨床試驗(yàn)。其中一些已發(fā)表的有希望的結(jié)果。角膜上皮細(xì)胞為治療失明帶來了新希望。多巴胺能祖細(xì)胞已進(jìn)入帕金森病的臨床試驗(yàn)，其中 iPSC 和胚胎干細(xì)胞來源的細(xì)胞迄今顯示出相當(dāng)?shù)陌踩院凸奈枞诵牡寞熜盘枴Ｐ枰诟蟮幕颊哧?duì)列中進(jìn)行更長期的隨訪，以確定持久性、療效和廣泛的臨床可行性。

雖然自體療法在概念上很吸引人，但其生產(chǎn)緩慢且昂貴。人類白細(xì)胞抗原純合 iPSC 庫的創(chuàng)建——匹配國家大部分人口的供體細(xì)胞系集合——為可擴(kuò)展的同種異體療法打開了大門。這些細(xì)胞可以預(yù)先制備、經(jīng)過質(zhì)量測試并儲存以供立即臨床使用。同時(shí)，免疫工程已經(jīng)產(chǎn)生了具有降低免疫原性的“通用” iPSC 細(xì)胞系，為真正“現(xiàn)貨型”的再生產(chǎn)品提供了可能性。

iPSC 療法的臨床興起帶來了倫理挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)與器官移植和基因治療中看到的類似，但有其獨(dú)特細(xì)微差別。由于 iPSC 可以從任何個(gè)體產(chǎn)生，同意、隱私和數(shù)據(jù)治理的問題變得尤為重要。隨著再生技術(shù)變得更加強(qiáng)大和廣泛應(yīng)用，公眾參與對于保持信任仍然至關(guān)重要。

疾病建模和藥物發(fā)現(xiàn)：培養(yǎng)皿中的人類生物學(xué)

如果再生療法代表了 iPSC 科學(xué)的一個(gè)支柱，那么疾病建模則代表了另一個(gè)——可以說是當(dāng)前影響最廣泛的一個(gè)。

患者特異性 iPSC 模型使得能夠研究那些因難以獲取原代人體組織而以前無法觸及的疾病。肌萎縮側(cè)索硬化癥、脊髓性肌萎縮癥和帕金森病模型表現(xiàn)出標(biāo)志性的神經(jīng)元變性。長 QT 綜合征心肌細(xì)胞顯示出與心律失常風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)的電生理特征。這些早期成功證明，iPSC 來源的細(xì)胞可以重述有意義的疾病表型。早期臨床試驗(yàn)的結(jié)果支持基于 iPSC 的方法在藥物發(fā)現(xiàn)，特別是藥物再利用方面的潛力。

該領(lǐng)域迅速超越了單基因疾病。精神分裂癥、雙相情感障礙和自閉癥等精神疾病已使用 iPSC 來源的神經(jīng)培養(yǎng)物和類器官進(jìn)行建模，揭示了突觸形成、網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)和發(fā)育軌跡方面的細(xì)微差異。復(fù)雜的心臟疾病、代謝紊亂和免疫功能障礙都已使用類似方法進(jìn)行了探索。

類器官為疾病建模引入了新的維度。繼笹井芳樹在視網(wǎng)膜類器官的開創(chuàng)性工作（2011 年發(fā)表于Nature期刊）之后，其他團(tuán)隊(duì)開發(fā)了重現(xiàn)皮質(zhì)分層和神經(jīng)元遷移方面的大腦類器官，以及為研究囊性疾病、感染和上皮功能障礙提供平臺的腎臟和腸道類器官。將類器官融合成“組裝體”使得能夠研究長程相互作用，例如中間神經(jīng)元從前腦腹側(cè)遷移到皮質(zhì)。

iPSC 與 CRISPR 基因組編輯的整合徹底改變了因果推理。通過比較僅在一個(gè)致病性變異上不同的同基因?qū)Γ芯咳藛T可以在沒有混雜背景變異的情況下，識別基因損傷的直接后果。這一策略已經(jīng)闡明了包括心肌病、自閉癥譜系障礙和代謝疾病在內(nèi)的多種疾病的機(jī)制。

iPSC 來源的組織現(xiàn)在作為藥物發(fā)現(xiàn)和安全性測試的平臺。心肌細(xì)胞可以預(yù)測致心律失常潛力，肝細(xì)胞評估代謝和毒性反應(yīng)，神經(jīng)培養(yǎng)物提供神經(jīng)毒性信息。在新發(fā)傳染病暴發(fā)期間，iPSC 來源的組織為病毒嗜性和宿主反應(yīng)提供了窗口。

包含不同祖先來源供體的大型 iPSC 生物樣本庫對于捕捉人類遺傳變異的全譜至關(guān)重要。現(xiàn)有的儲存庫顯示出強(qiáng)烈的歐洲血統(tǒng)偏向，突顯了需要更廣泛的代表性以支持公平的發(fā)現(xiàn)。使用大型 iPSC 隊(duì)列的研究表明，遺傳變異塑造細(xì)胞表型，包括基因調(diào)控和應(yīng)激反應(yīng)。由于遺傳背景影響治療反應(yīng)，多樣化的 iPSC 生物樣本庫為推進(jìn)個(gè)性化醫(yī)療和人類功能基因組學(xué)提供了必要的基礎(chǔ)設(shè)施。

iPSC 及相關(guān)技術(shù)的多樣化應(yīng)用

iPSC 科學(xué)的擴(kuò)展視野

雖然 iPSC 常與治療和建模相關(guān)，但它已經(jīng)影響了一系列令人驚訝的科學(xué)領(lǐng)域。

來自瀕危物種的 iPSC 為保存遺傳多樣性和研究在無法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的有機(jī)體中的發(fā)育軌跡提供了工具。使用靈長類動(dòng)物 iPSC 的比較研究揭示了早期神經(jīng)發(fā)育、突觸成熟和免疫反應(yīng)方面的物種特異性差異。

類原腸胚（Gastruloid）和類囊胚（Blastoid）重建了否則在人類中無法獲得的早期發(fā)育事件。這些模型闡明了原腸胚形成、軸特化和胚層形成的機(jī)制。體外配子發(fā)生將iPSC應(yīng)用擴(kuò)展到生殖生物學(xué)，允許研究生育通路和未來潛在的不孕癥治療方法。

最近，將 iPSC 來源的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)與電子系統(tǒng)耦合的工作，產(chǎn)生了能夠?qū)W習(xí)模式、響應(yīng)刺激和適應(yīng)行為的混合結(jié)構(gòu)。這些系統(tǒng)挑戰(zhàn)了生物智能與人工智能之間的傳統(tǒng)區(qū)別，引發(fā)了關(guān)于計(jì)算、認(rèn)知和工程生命系統(tǒng)倫理界限的深刻問題。

也可以公平地說，向多能性重編程的發(fā)現(xiàn)有助于促進(jìn)直接譜系重編程的發(fā)展。證明確定的轉(zhuǎn)錄因子可以超越穩(wěn)定的體細(xì)胞身份，從根本上改變了該領(lǐng)域看待細(xì)胞命運(yùn)的方式，為將一種分化狀態(tài)直接轉(zhuǎn)換為另一種狀態(tài)的想法打開了大門。隨后在誘導(dǎo)神經(jīng)元、心肌細(xì)胞和其他譜系方面的工作建立在 iPSC 研究期間確立的概念和技術(shù)基礎(chǔ)之上，即使這些方法遵循不同的機(jī)制路徑。

也許最引人深思的前沿領(lǐng)域之一是“返老還童”生物學(xué)，部分重編程——短暫暴露于 OSKM 或修飾的因子變體——提供了一種重置表觀遺傳年齡而不完全抹去細(xì)胞身份的方法。動(dòng)物模型中的早期研究表明，這種方法可以恢復(fù)代謝彈性、逆轉(zhuǎn)衰老的分子標(biāo)記并改善組織功能。如果這些發(fā)現(xiàn)能安全地轉(zhuǎn)化到人類細(xì)胞和組織，部分重編程可能有助于解決與年齡相關(guān)的疾病，不是通過治療癥狀，而是通過恢復(fù)年輕的細(xì)胞狀態(tài)。這對公共衛(wèi)生、長壽和慢性病管理的影響是深遠(yuǎn)的，并且需要我們仔細(xì)考慮其治療前景和潛在風(fēng)險(xiǎn)，例如致瘤性。

iPSC 技術(shù)另一個(gè)引人深思的擴(kuò)展是跨物種器官發(fā)生，其目標(biāo)是通過囊胚互補(bǔ)在大型動(dòng)物宿主（例如豬）中生成人類器官。在初始多能狀態(tài)方面的進(jìn)展可能使人類 iPSC 在豬和羊胚胎中發(fā)揮貢獻(xiàn)作用。盡管主要的生物學(xué)和倫理挑戰(zhàn)仍然存在，但基因組工程和發(fā)育控制方面的持續(xù)進(jìn)展，使得這種方法作為解決器官短缺問題的潛在策略，仍保持著人們的興趣。

展望：未來二十年

隨著 iPSC 領(lǐng)域進(jìn)入其第三個(gè)十年，干細(xì)胞生物學(xué)、計(jì)算、合成生物學(xué)和轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)之間的界限正在消融。下一個(gè)時(shí)代將不僅僅定義為對重編程或分化方案的漸進(jìn)式改進(jìn)，而是由傳統(tǒng)上獨(dú)立發(fā)展的學(xué)科的更深層次整合來定義。在這種融合的核心，存在著一個(gè)簡單而深刻的問題：如果我們能控制細(xì)胞身份，我們是否也能預(yù)測、設(shè)計(jì)甚至優(yōu)化它？

即將到來的最具變革性的發(fā)展之一是將人工智能整合到干細(xì)胞生物學(xué)中。多組學(xué)數(shù)據(jù)集現(xiàn)在以前所未有的分辨率捕捉細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄、表觀遺傳、代謝和結(jié)構(gòu)狀態(tài)。這些數(shù)據(jù)集對僅憑直覺而言過于復(fù)雜，但在其上訓(xùn)練的人工智能驅(qū)動(dòng)模型已經(jīng)開始揭示命運(yùn)決定中的隱藏模式。這些系統(tǒng)可能很快就能預(yù)測哪些細(xì)胞最容易被重編程，識別成功轉(zhuǎn)變的最早分子特征，甚至提出繞過經(jīng)典轉(zhuǎn)錄因子組合的合成路徑。研究人員可能有一天會在計(jì)算機(jī)中模擬重編程“景觀”，在體外驗(yàn)證最有希望的候選方案之前，測試數(shù)千個(gè)假設(shè)的因子組合。

合成生物學(xué)也準(zhǔn)備同樣戲劇性地重塑該領(lǐng)域。可編程轉(zhuǎn)錄因子、基于 CRISPR 的表觀遺傳修飾劑和合成基因回路的進(jìn)步，允許越來越精確地操縱細(xì)胞身份。不難想象，多能性程序可以用小分子開啟和關(guān)閉，或者分化方案由感知并實(shí)時(shí)糾正偏差的工程反饋回路引導(dǎo)。安全回路可以防止不受控制的生長，而合成增強(qiáng)子可以穩(wěn)定在歷史上難以分化的組織中的譜系定向。這些創(chuàng)新預(yù)示著一個(gè)未來，其中干細(xì)胞的行為不僅僅是觀察或被推動(dòng)，而是被設(shè)計(jì)。

生物制造——常常被低估的轉(zhuǎn)化細(xì)胞療法支柱——也將經(jīng)歷深刻變化。封閉系統(tǒng)、自動(dòng)化培養(yǎng)平臺將減少變異、提高可擴(kuò)展性并增強(qiáng)安全性。這些系統(tǒng)將允許持續(xù)監(jiān)測多能性標(biāo)記、代謝狀態(tài)和基因組完整性，將細(xì)胞生產(chǎn)從一種手工過程轉(zhuǎn)變?yōu)楣I(yè)化過程。經(jīng)過工程改造以逃避免疫排斥的通用供體細(xì)胞，可能會極大地?cái)U(kuò)展獲得再生療法的機(jī)會，將臨床實(shí)踐從定制治療轉(zhuǎn)向易于部署的現(xiàn)成解決方案。或者，封閉和自動(dòng)化系統(tǒng)可能使以合理的成本和時(shí)間，為每個(gè)患者生成自體 iPSC 成為可能。根據(jù)要移植的細(xì)胞類型以及患者的免疫和系統(tǒng)狀況，可能需要自體 iPSC。

這些科學(xué)進(jìn)步帶有倫理、社會和哲學(xué)內(nèi)涵。隨著 iPSC 衍生系統(tǒng)開始涉及早期人類發(fā)育、生殖、認(rèn)知和環(huán)境管理的方面，社會將被迫面對超出常規(guī)生物倫理學(xué)范疇的問題。

合成的胚胎樣模型挑戰(zhàn)我們對發(fā)育界限的定義。體外配子發(fā)生引發(fā)了關(guān)于親子關(guān)系、繼承和生殖自主權(quán)的問題。將神經(jīng)元與計(jì)算硬件耦合的生物混合系統(tǒng)可能引發(fā)關(guān)于意識、學(xué)習(xí)和工程化生物網(wǎng)絡(luò)的道德地位的新辯論。甚至保護(hù)生物學(xué)——iPSC 可以幫助滅絕物種復(fù)活或拯救瀕危物種——也提出了關(guān)于生態(tài)責(zé)任和人類干預(yù)的長期后果的問題。

應(yīng)對這些問題不僅需要科學(xué)專業(yè)知識，還需要持續(xù)的公眾對話、透明的監(jiān)管框架以及對全球公平的承諾。獲取先進(jìn)的再生療法必須在不同人口統(tǒng)計(jì)學(xué)和地理區(qū)域之間是公平的，不依賴于支付能力或與先進(jìn)醫(yī)療中心的接近程度。同樣，國際標(biāo)準(zhǔn)將有必要管理 iPSC 衍生材料的創(chuàng)建、共享和治療使用。

在許多方面，iPSC 的故事是現(xiàn)代科學(xué)的縮影：證明了好奇心驅(qū)動(dòng)的研究、跨學(xué)科合作以及挑戰(zhàn)根深蒂固假設(shè)的意愿的力量。始于單個(gè)實(shí)驗(yàn)室的意外觀察，已經(jīng)重塑了生物學(xué)和醫(yī)學(xué)的輪廓。如果說過去二十年揭示了細(xì)胞命運(yùn)之間的障礙比曾經(jīng)想象的更具滲透性，那么未來二十年將展示生物學(xué)、技術(shù)和社會之間的界限同樣具有流動(dòng)性。未來的挑戰(zhàn)是以想象力、謹(jǐn)慎和對我們正在創(chuàng)造的世界的共同責(zé)任感來利用這種新興潛力。

機(jī)器人技術(shù)、人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)的進(jìn)步，將日益自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)并加速數(shù)據(jù)分析，從根本上改變科學(xué)家的日常工作流程。然而，變革性的發(fā)現(xiàn)將繼續(xù)依賴于人類的好奇心、直覺和對非傳統(tǒng)思想的追求意愿，而技術(shù)將作為創(chuàng)造性實(shí)驗(yàn)思維的有力放大器，而非替代品。

論文鏈接：

1. https://www.cell.com/fulltext/S0092-8674(06)00976-7

2. https://www.cell.com/cell-stem-cell/fulltext/S1934-5909(26)00073-1