自十七年前誘導多能干細胞（也稱iPS細胞或iPSC）技術出現以來，干細胞生物學和再生醫學取得了巨大進展。人類iPSC已廣泛用于疾病建模、藥物發現和細胞療法開發。新的病理機制已被闡明，源自iPSC篩選的新藥正在研發中，并且首次使用人類iPSC衍生產品的臨床試驗已經啟動。特別是，人類iPSC技術與基因編輯和三維類器官的最新發展相結合，使得基于iPSC的平臺在其各個應用領域（包括精準醫學）變得更加強大。

圖1 基于人類iPSC的疾病建模示意圖（Shi et al., 2017）。

iPSC簡介??

京都大學山中實驗室于2006年首次報道了使用四種轉錄因子的混合物從小鼠體細胞（如成纖維細胞）中產生具有與胚胎干細胞（ESC）相似的基因表達/表觀遺傳特征和發育潛力的細胞，這些細胞被稱為iPSC，可分化為三個胚層（內胚層、外胚層和中胚層），四種因子：Oct4、Sox2、Klf4和c-Myc被命名為“Yamanaka因子”，統稱為OSKM。2007年，Yamanaka團隊成功地將人類體細胞轉化為與人類ESC（hESC）具有相似基因表達譜和多能性的干細胞，這些細胞被稱為人類iPSC（hiPSC）。此后，iPSC引起了毒理學、病理學、病毒學、發育解剖學和生理學等領域的研究人員的廣泛興趣。Shinya Yamanaka與Sir John Gurdon也因“發現成熟細胞可以被重新編程成為多能細胞”而榮獲2012年諾貝爾生理學或醫學獎。

圖2 iPSC的產生和分化（Borger et al., 2017）。

在此之前，由于干細胞免疫排斥以及社會倫理問題導致人類干細胞的開發之路并不順暢。當iPSC誕生時，科學界為之振奮。與其他來源的干細胞不同，iPSC是通過逆轉錄病毒載體將4個轉錄因子導入成熟體細胞中，之后重新編碼，從而獲得具有多分化潛能的干細胞，完美規避了免疫排斥和倫理問題。iPSC的優點主要體現在三個方面：一是iPSC與人胚干細胞的特征高度相似（并不完全等同，在性能上有略微差異），可以在體外無限復制，適用于大規模培養；二是iPSC可根據需求誘導分化成需要的細胞株，且批次間特性相對穩定，可避免臨床療效不一致情況的發生；三是iPSC細胞的來源是成體細胞，既避免了倫理問題，又易于獲取。如果iPSC來源于患者自身，還可減小免疫排斥問題。但目前iPSC技術仍存在分化效率較低、致瘤安全風險待驗證、異體誘導仍具有免疫原性等問題。

iPSC在疾病中的應用??

Clinicaltrials.gov數據庫（https://www.clinicaltrials.gov/）檢索發現，共有86項iPSC臨床試驗，2015年，iPSC相關臨床試驗數量有顯著提升，2018年達到峰值并有所回落。其中，最快的已進入Ⅲ期臨床（Cynata Therapeutics），但大部分仍處于Ⅰ期臨床及臨床前階段。下面，就和伯小醫一起了解iPSC在各類疾病中的研究進展吧！

一、iPSC與腫瘤

嵌合抗原受體（CAR）-T細胞療法已成為惡性腫瘤治療中最有前途的治療策略之一，迄今為止，已有六款CAR-T細胞產品獲得美國食品藥品監督管理局（FDA）批準用于治療B細胞白血病/淋巴瘤和多發性骨髓瘤。然而，接受CAR-T細胞治療的患者必須面對一些風險，包括細胞因子釋放綜合征（CRS）和免疫效應細胞相關神經毒性綜合征（ICANS）以及移植物抗宿主病（GVHD）。

介于iPSC具有無限的增殖能力，同時保持其多能性和譜系分化潛力，因此，可產生具有不同純合人類白細胞抗原（HLA）組合的iPSC系庫，根據宿主和移植物之間的HLA匹配選擇最佳的iPSC來源，可降低源自自身CAR-T細胞的免疫排斥風險。另一種選擇是使用基因編輯來消除HLA-I和/或HLA-II表達。使用iPSC的一個優點是，CAR-T細胞可以從具有克隆擴增能力的單個iPSC克隆中產生，因此它們所經歷的遺傳修飾在最終細胞群中將是同質的。

圖3 iPSC生產抗腫瘤同種異體CAR-T細胞策略（Aparicio et al., 2023）。

為了解決免疫排斥問題，Wang等人研發了iPSC衍生的CAR-T細胞，其不僅缺乏HLA-I和HLA-II，還缺乏脊髓灰質炎病毒受體CD155，編碼NK細胞激活受體DNAM-1配體，誘導HLA-E的表達，從而防止了NKG2A+NK細胞的排斥。

二、iPSC與免疫性疾病

利用免疫相關疾病患者來源的iPSC進行基礎研究預計將成為闡明免疫性疾病發病機制和藥物發現的有前景的平臺。由于自身炎癥性疾病通常是單基因的，基因突變會影響細胞功能，患者來源的iPSC往往表現出疾病特異性表型。特別是，iPSC衍生的單核細胞和巨噬細胞可用于功能實驗。借助iPSC技術，研究人員可以輕松獲取人體細胞并使用人體樣本研究疾病，并且使用iPSC研究人類免疫相關疾病與傳統研究方法相比具有明顯的優勢，尤其是自身免疫性疾病（圖4）。

圖4 使用患者來源的iPSC研究免疫相關疾病的示意圖（Shoda et al., 2023）。

為了研究自身免疫性疾病的發病機制，利用iPSC來源的細胞建立體外疾病模型至關重要。由iPSC分化而來的單核細胞和巨噬細胞經常被用來分析免疫相關疾病的表型。免疫相關疾病是由免疫系統失調引起的，其中，自身炎癥性疾病的特點是發病機制中促炎細胞因子發揮關鍵作用，免疫相關基因的突變直接導致疾病，如：周期性發燒綜合癥、干擾素病以及其他新發現的單基因自身炎癥性疾病。而自身免疫性疾病卻恰好與自身炎癥性疾病相反，由抗原特異性免疫反應失調而引起，如：自身免疫性甲狀腺炎、系統性紅斑狼瘡（SLE）、類風濕關節炎（RA）、強直性脊柱炎（AS）、白塞氏病（BD）、干燥綜合征（SS）、系統性硬化癥（SSc）等。

自身炎癥性疾病通常是單基因的，因此患者來源的iPSC可以表現出與疾病相關的表型，即自身炎癥性疾病患者來源的iPSC可用于生物標志物發現和藥物篩選。而自身免疫性疾病是多基因的，多種低影響因果變異的積累促進了自身免疫和致病過程，就自身免疫性疾病患者來源的iPSC而言，個體風險基因的影響往往是微妙的，識別致病基因成為一項挑戰，特別是因為健康供體來源的iPSC和自身免疫性疾病患者來源的iPSC之間存在差異。雖然環境因素誘發疾病的機制非常復雜且難以在體外復制，但可以使用基于iPSC的研究來評估其影響。盡管基于患者iPSC對自身免疫性疾病的研究存在局限性，但許多采用創新策略的引人注目的研究已經發表。

三、iPSC與線粒體疾病

線粒體疾病是一組影響任何年齡、任何器官的遺傳性疾病，由細胞核和線粒體基因（如線粒體DNA（mtDNA））突變引起，通常是多系統疾病，影響能量需求高的組織或器官（如：神經系統、心臟和骨骼肌），也表現為單一器官和組織（如：耳朵和眼睛）。目前，已經建立了許多針對線粒體疾病的患者來源的iPSC模型（圖5）。

圖5?患者源iPSC模型的建立（Chen C?and?Guan M X., 2023）。

有學者指出，針對iPSC中的mtDNA進行堿基編輯，可能能夠生成線粒體疾病模型并開發潛在的治療干預措施。但事實上，依賴sgRNA的傳統CRISPR/Cas系統與線粒體不相容，2020年，Liu等人設計了無活性split-DddA，可催化人mtDNA中的C?G到T?A的轉化。2022年，Kim等人利用TALE改造了源自細菌TadA蛋白的脫氧腺苷脫氨酶，以催化A到G的轉化，擴展了mtDNA堿基編輯的應用范圍。iPSC技術與基因編輯技術的結合將為生成疾病模型和開發這些疾病的有效治療方法提供強大的工具（圖6）。

圖6?將iPSC與mtDNA基因編輯技術相結合的治療方法（Chen C and Guan M X., 2023）。

參考文獻

Aparicio C, Acebal C, González-Vallinas M. Current approaches to develop “off-the-shelf” chimeric antigen receptor (CAR)-T cells for cancer treatment: a systematic review[J].?Experimental Hematology & Oncology, 2023, 12(1): 73.

Borger D K, McMahon B, Roshan Lal T, et al. Induced pluripotent stem cell models of lysosomal storage disorders[J].?Disease models & mechanisms, 2017, 10(6): 691-704.

Chen C, Guan M X. Induced pluripotent stem cells: ex vivo models for human diseases due to mitochondrial DNA mutations[J].?Journal of Biomedical Science,?2023, 30(1): 82.

Shi Y, Inoue H, Wu J C, et al. Induced pluripotent stem cell technology: a decade of progress[J].?Nature reviews Drug discovery, 2017, 16(2): 115-130.

Shoda H, Natsumoto B, Fujio K. Investigation of immune-related diseases using patient-derived induced pluripotent stem cells[J].?Inflammation and Regeneration, 2023, 43(1): 51.