有蹄类家畜诱导多能性干细胞(iPSCs)研究进展

当今,学者已经在啮齿类和灵长类动物中建立了胚胎干细胞系,然而在有蹄类家畜中还没有获得成功。诱导重编程技术的建立为再生医学的快速发展以及农业动物繁育技术体系的革新提供了重要的技术支持,也为获得有蹄类家畜多能干细胞提供了新的思路和方法。目前,虽然在猪、牛、绵羊、山羊和马中都获得了诱导多能性干细胞(induced pluripotent stem cells,i PSCs),但是其在体外培养及细胞特性等方面与啮齿类和灵长类i PSCs还有较大差距。该文主要对有蹄类家畜i PSCs研究的现状、存在的问题及解决思路进行系统综述,为进一步推进有蹄类家畜i PSCs的研究提供理论支持。     

人类及小鼠胚胎干细胞的不同多能性状态

胚胎干细胞(embryonic stem cells,ESCs)是来源于早期胚胎的全能性细胞,在合适条件下具有分化为任何一类成体细胞的潜力。在小鼠中,根据细胞来源的胚胎发育时间,ESCs可以被分为原始态多能性(na(?)ve pluripotency)和始发态多能性(primed pluripotency)两种状态。这两种状态的细胞在发育上相互联系,具有不同的形态、信号依赖、发育性质、基因表达及表观遗传学性质,并且在特定的条件下可以相互转化。人类胚胎干细胞(human embryonic stem cells,hESCs)的发育潜能曾一度被认为低于小鼠胚胎干细胞(mouse embryonic stem cells,mESCs),直到人类原始态胚胎干细胞的发现证明了hESCs可以表现出与mESCs相似的性质。这对于人类胚胎发育的研究及ESCs在临床治疗上的实际应用都具有重要的意义。     

基因组编辑技术在干细胞疾病模型和疾病治疗中的应用

基于人类多能干细胞(human pluripotent stem cells,h PSCs)的疾病模拟体系提供了一个全新的疾病研究平台。携带特定致病突变的h PSCs可以通过患者体细胞重编程成诱导性多能干细胞(induced pluripotent stem cells,i PSCs)获得,或者通过向野生型h PSCs中引入致病突变获得。获得的突变h PSCs及其野生型对照细胞株在体外诱导下可以分化为疾病相关体细胞类型,继而被用于疾病模拟和机理研究。近几年出现的基因组编辑技术使得疾病模拟平台的建立更加高效和优化。主要讨论干细胞疾病模拟领域的进展,以及基因组编辑技术在干细胞疾病模拟和疾病治疗中的应用。     

利用化学小分子实现人胚胎干细胞多能性状态的转化

小鼠胚胎干细胞（Embryonic Stem Cells,ESCs）具有两种不同的多能性状态-原始态多能性（naive pluripotency）和始发态多能性（primed pluripotency）,这两种多能性干细胞在形态、自我更新维持条件、基因表达、表观遗传学特征以及单克隆形成率等方面都存在明显差别。传统条件下分离和培养的人胚胎干细胞（human Embryonic Stem Cells,h ESCs）生物学特征更接近始发态多能性状态,需依赖转基因操作才能获得和维持原始态多能性状态。本研究通过在培养体系中添加化学小分子成功地将已建系的始发态多能性h ESCs转化为原始态多能性干细胞,转化后h ESCs呈紧密、圆形、隆起的三维克隆结构,具有两条活化的X染色体,单克隆形成率提高,基因表达更接近原始态多能性特征。结果提示h ESCs也存在两种多能性状态,不同的体外培养环境可获得具备不同多能性特征的h ESCs。原始态多能性状态的获得使h ESCs在基因治疗、器官再生等领域具有广阔的应用前景,而仅改变培养条件,不依赖基因操作的培养方式大大提高了原始态多能性干细胞应用的安全性。     

线粒体与多潜能干细胞功能

线粒体是细胞内重要的细胞器,主要功能是通过氧化磷酸化为细胞生命活动提供能量。近年来,研究表明,在多潜能干细胞（Pluripotent stem cells, PSCs）中线粒体表现出独有的特征,即在多能性状态下,PSCs主要依靠糖酵解提供能量,其分化期间线粒体氧化磷酸化代谢能力逐渐增强。相反,体细胞重编程为多潜能干细胞期间,线粒体氧化磷酸化向糖酵解途径的转变是其成功重编程必需的代谢过程。另外,线粒体通过生物合成和形态结构的动态重塑维持了PSCs多能性、诱导分化及诱导多能干细胞（Induced pluripotent stem cells, iPSCs）的重编程。因此,本文综述了PSCs线粒体形态结构及其在调控PSCs多能性、合成代谢、氧化还原状态的平衡、分化及重新编程中的作用,为深入了解线粒体调控PSCs功能的作用提供理论基础。     

大动物多能干细胞建立研究进展

多能干细胞(pluripotent stem cells,PSCs)是可以无限增殖更新并具有分化为各种组织细胞潜能的一类干细胞系。而其中的i PS细胞(induced pluripotent stem cells,i PS cells)的建立更是进一步拉近了干细胞和临床疾病治疗的距离,并且对农业经济发展和动物医学领域具有巨大的潜在应用价值。然而目前干细胞深层次的机制与应用研究主要还是集中在小鼠和人类干细胞上,而对于农牧业与兽医学关系紧密的大动物干细胞的研究主要还在初步建立与应用尝试阶段。而本文通过归纳整理相关文献,简述了胚胎多能干细胞以及诱导多能干细胞在猪、牛、马等大动物中的建立研究现状。     

血细胞为供体细胞诱导iPSCs的研究进展

诱导多能干细胞(induced pluripotent stem cells,i PSCs)是通过转录因子或者小分子化合物诱导体细胞形成的形态和功能类似于胚胎干细胞(embryonic stem cells,ESCs)的一类细胞,具有自我更新及多向分化潜能。由于i PSCs技术不涉及传统ESCs的伦理学问题,并且获取较为方便、快捷,使其在再生医学、疾病建模、药物筛选等方面具有突出的优势。经过一定时间的探索,发现血液细胞作为i PSCs技术的供体细胞具有很大的优势,这也推动了对血液系统疾病的深入研究。该文就血细胞在i PSCs诱导重编程技术中的应用以及i PSCs技术在血液系统疾病中的最新进展作一综述。     

载体介导无遗传物质整合的诱导性多能干细胞的生成

诱导性多能干细胞(induced pluripotent stem cells,i PSCs)因其具有类似胚胎干细胞(embryonic stem cells,ESCs)的"自我更新"和分化潜能而成为生物学和医学等领域的研究热点之一。但是,目前i PSCs的生成主要以逆转录病毒或慢病毒为载体,而病毒载体和外源性重编程因子在受体细胞基因组中的整合,使得i PSCs存在致瘤性的安全隐患。同时,采用无载体介导的方法如重组蛋白、小分子物质的重编程效率较低。为此,目前已成功开发一些载体和方法可以介导无外源性遗传物质整合的i PSCs的生成。该文就整合后可删除的基因表达载体(Cre/lox P重组系统、piggy Bac转座子/转座酶系统)和非整合基因表达载体(ori P/EBNA1附加型载体、微环DNA载体)在i PSCs生成上的应用研究作一综述,以期为i PSCs的临床安全应用提供理论和技术参考。     

诱导性多能干细胞重编程技术的发展

近年来,研究者已经能通过重编程技术从多种物种与组织中获得具有多能性的干细胞系,被称为诱导性多能干细胞(induced pluripotent stem cells,i PSCs)。这种细胞或可被应用于生物学及医学等多个领域,如疾病模型、自体细胞治疗、药物毒性筛选及相关基础研究。自2006年第一批i PSCs诞生以来,研究者致力于改进原始诱导方法以获得更高的诱导效率并降低诱导引起的基因组不稳定性。为了使读者能够更好地理解i PSCs的重编程技术,本文归纳总结了近年来已经使用过的一些主要诱导手段,并介绍了其优劣之处。这些研究成果均为今后i PSCs应用于临床实验奠定了坚实的理论基础。     

多能干细胞维持遗传物质稳定性的调控机制

多能干细胞(pluripotent stem cells,PSCs)能无限增殖且具有发育多潜能性,在再生医学中有巨大的应用前景,但长期扩增过程中产生的遗传物质不稳定性及潜在致瘤性阻碍了临床应用。深入理解多能干细胞维持遗传物质稳定性的方式和机制具有重要的理论价值和应用前景。由于功能的特殊性,相较于体细胞,多能干细胞维持遗传物质稳定性的能力更强,并有其独特的机制。该文简要综述了近年来在多能干细胞维持遗传物质稳定性方面的研究进展,包括干细胞如何有效应对DNA复制压力、如何有效修复DNA损伤以及在DNA损伤情况下的细胞命运决定机制。     

iPSCs的潜在致瘤性及降低致瘤性方法的研究进展

自从2006年山中伸弥成功地将小鼠皮肤成纤维细胞重编程为诱导性多能干细胞(Induced pluripotent stem cells,i PSCs),i PSCs已成为科学家们研究的热点之一。而i PSCs在为基础研究和再生医学提供了无限可能的同时,相关争论焦点也随之产生,如i PSCs有可能导致肿瘤已成为其在临床应用前需要进一步证实、面对和解决的问题。目前已经有相关研究人员对i PSCs是否具有潜在致瘤性进行了探索。研究结果表明,i PSCs基因表达谱与癌细胞基因表达谱具有交集,重编程过程中积累了基因损伤,以及在培养过程中的基因突变都是其致瘤性产生的原因之一。研究人员目前已经找到很多减少i PSCs致瘤性的方法,比如优化促重编程因子、筛选表达载体、筛选细胞株等。文中对i PSCs致瘤可能性的原因和如何消除其致瘤性进行了综述。     

建立非基因整合iPSCs体系及提高体外造血分化体系的研究

诱导多能干细胞(induced pluripotent stem cells,i PSCs)在体外可被诱导分化为多种细胞,该项技术在细胞治疗、药物筛选及疾病研究上具有广阔的前景。体外定向诱导其向造血分化可为临床上使用的造血干细胞提供一种新的来源,提高i PSCs的造血分化效率将是i PSCs临床前治疗要解决的关键问题。该研究采用非整合型病毒重编程正常人的外周血来源的单个核细胞(peripheral blood-derived mononuclear cells,PBMCs),诱导生成i PSCs后对其进行体外造血分化实验。结果显示,通过此种方法进行重编程的i PSCs可稳定传代,体内外均可向三胚层分化。使用OP9细胞与i PSCs共培养可分化为造血干/祖细胞,且添加细胞因子可有效提高分化效率。该研究为进一步提高i PSCs造血分化效率提供了重要的实验依据。     

iPSCs遗传稳定性与重编程机制的研究进展

诱导性多能干细胞(Induced pluripotent stem cells, iPSCs)是采用特定转录因子,将体细胞重编程为具有多能性的干细胞。iPSCs已成功由多种体细胞诱导出来,不仅具有发育多能性还能避免胚胎干细胞(Embryonic stem cells, ESCs)的伦理道德问题,已成为生命科学领域不可或缺的研究工具,具有广阔的应用前景。但获得高质量、遗传稳定的iPSCs是当前亟须解决的问题。文章对iPSCs重编程机制和遗传稳定性的研究进展进行了综述,以期为提高iPSCs的诱导效率、降低诱导成本、掌握iPSCs质量控制的关键点提供参考,从而推进多能性干细胞临床应用的发展。     

猪多能干细胞的研究进展

多能干细胞,如胚胎干细胞(embryonic stem cells,ESCs)、诱导多能干细胞(induced pluripotent stem cells,iPSCs)和成体干细胞(adult stem cells,ASCs),是一类具有巨大潜能的独特细胞。猪作为试验材料,在遗传、代谢、生理生化及基因序列等方面较小鼠更接近于人类,正逐渐成为人类异种移植和再生医学研究的理想生物学模型。然而,目前对猪多能干细胞种类、来源、特征及机制的有限认识直接阻碍了其相关应用。该文将分别对猪ASCs的研究现状、猪类ESCs的分离培养、猪iPSCs的研究进展、多能干细胞间的联系和展望进行论述,以期为从事该领域研究的科研人员提供参考。     

小分子化合物诱导细胞重编程研究进展

细胞重编程指细胞内的基因表达由一种类型转变为另一种类型,通常包含两层含义:一是分化的细胞重新恢复到多能性或全能性状态;二是从一种分化的细胞转变为另一种分化的细胞。细胞重编程可为临床患者特异性细胞治疗提供无限的细胞资源。细胞重编程的途径有细胞核移植、转染特定转录因子、小分子化合物诱导等方法。核移植技术由于通常需要使用到卵子,而被认为存在伦理问题;转录因子的导入存在引起宿主基因突变的问题,限制了这一技术的临床应用。然而小分子化合物容易合成、细胞渗透性好,并且生物效应具有可塑性,使用小分子化合物诱导细胞重编程,避免了核移植的伦理问题和基因操作潜在的危害。目前,使用小分子化合物从体细胞诱导获得更安全的i PSCs(induced pluripotent stem cells),ci CMs(chemically induced functional cardiomyocyte cells)和ci NSLCs(chemical-induced neural stem cell-like cells)。对小分子化合物诱导细胞重编程,包括小分子化合物诱导多能干细胞;小分子化合物诱导潜能扩展的多能干细胞,以及小分子化合物诱导细胞转分化等方面的研究做了总结,并对小分子化合物诱导的未来发展做了展望,旨在为今后这方面的研究提供借鉴。     

微环境诱导iPSCs和BMSCs向神经元样细胞分化——Reelin对细胞分化和极性化的调节作用

本文旨在研究小鼠诱导性多能干细胞(induced pluripotent stem cells,i PSCs)和骨髓间充质干细胞(bone marrow mesenchymal stem cells,BMSCs)在大脑微环境的诱导下向神经元样细胞分化的过程,探讨与细胞极性化相关的关键分子,以及Reelin蛋白对干细胞的分化的影响。用细胞脑片共培养以及细胞脑匀浆上清共培养的方法,将i PSCs和BMSCs分别与野生型(WT)和reelin基因缺失小鼠(reeler小鼠)的海马脑片以及脑匀浆上清共培养,观察二者在脑片微环境下的细胞分化和极性化改变。结果显示,与WT和reeler小鼠脑片共培养的i PSCs和BMSCs均出现神经元样细胞的分化;与WT小鼠海马脑片共培养的这两种细胞呈双C字型海马片层化分布,同时表现出很强的方位性,而与reeler小鼠海马脑片共培养的细胞分布则无明显规律性,呈均匀分布。脑匀浆上清培养基共培养的i PSCs和BMSCs在共培养72 h后,部分类神经元样细胞可以被神经元特异标记物(Neu N)所标记,显示出分化成为功能性神经元。而在共培养初期(2~4天),reeler微环境培养基中神经元分化和突起生长相对滞后。以上结果提示,在大脑微环境的诱导下,i PSCs和BMSCs可以向神经元样细胞,甚至向功能性神经元分化,Reelin蛋白参与了细胞极性化过程,而Reelin缺乏可造成神经细胞极性紊乱,延迟神经元分化及突起生长。     

应用诱导多能干细胞治疗的进展与挑战

诱导多能干细胞(Induced pluripotent stem cells,i PSCs)是利用特定的转录因子诱导体细胞获得的,像胚胎干细胞一样,可以进行无限的自我更新,并具有分化成三个胚层的能力。iPSC有可能提供无限的自体细胞治疗,目前研究已经证实,不同种类疾病的患者提供的成体细胞诱导后可产生种类繁多的iPSC,这项技术给目前无有效治疗手段的多类疾病带来了治疗的希望,并有可能避免利用胚胎干细胞(embryonic stem cells,ESCs)治疗面临的伦理问题和免疫排斥反应。本文回顾iPSC技术优化过程,着重关注应用i PSC建立细胞模型、进行细胞治疗的进展,并探讨iPSC在基础研究及临床应用中遇到的挑战。     

hUC-MSCs肝样细胞分化机制的研究进展

间充质干细胞(mesenchymal stem cells,MSCs)是来源于发育早期中胚层的一类多能干细胞,广泛分布于全身结缔组织和器官间质中,是一类具有自我更新、不断增殖和多向分化潜能的成体干细胞。随着组织工程和再生医学的研究和发展,MSCs成为一种治疗各种终末期肝脏疾病的潜在治疗手段。该文就人脐带间充质干细胞(human umbilicalcord mesenchymal stem cells,h UCMSCs)的生物学特性、体外诱导分化为肝样细胞(hepatocyte-like cells,HLCs)及其可能分化机制的研究进展予以综述。     

诱导重编程的表观遗传调控研究进展

表观遗传调控是细胞命运变化与决定的重要基础之一。2006年,日本科学家山中伸弥发现通过4个转录因子Oct4、Sox2、Klf4和c-Myc可以将已经分化的体细胞逆转回与胚胎干细胞相似的多能性状态,获得诱导多能干细胞(induced pluripotent stem cells,i PSCs)。这种诱导重编程技术不仅是干细胞技术的一大突破,也提供了关键的体外模型用于研究细胞重编程的表观遗传机制。对该机制的深入理解将推动人类自由操纵细胞命运的进程,从而有望治疗各种因功能细胞、组织、器官缺失退化引发的疾病。从诱导重编程的表观遗传调控方向的研究进展出发,阐述通过诱导重编程发现的关键细胞命运转变表观调控机制,展望未来的主要研究目标。     

干细胞与再生医学

多能干细胞(PSCs)具有发育的多潜能性,可以分化为机体各种细胞类型,是再生医学领域进行细胞替代治疗以及组织/器官再生的基础.如何由终末分化的体细胞重编程获得病人特异的PSCs,是再生医学领域的核心问题之一,目前主要采取两种重编程策略:借助核移植技术由早期胚胎体外建系获得,或通过诱导重编程技术获得.本文将综述不同多能性等级PSCs的获得方法以及其在多能性机制研究中的应用,并讨论PSCs通过异种嵌合实现组织/器官再造的潜在应用价值.PSCs的研究不仅推动了基础生物学研究的发展,同时也为再生医学走向临床开辟了道路.