人胚胎干细胞和诱导型人多能干细胞分化的心肌细胞在药物心脏毒性筛选中的应用

心脏毒性是药物研发失败的主要原因之一,也是临床前安全评价研究的难题之一。人胚胎干细胞和诱导型人多能干细胞均具有无限增殖、自我更新和多向分化的特性,为体外心脏毒性筛选实验提供了细胞资源。人胚胎干细胞和诱导型人多能干细胞诱导分化的心肌细胞相似,具有相同的形态结构,且随着培养时间的推移,功能性心、Na^＋、Ca^2＋通道密度逐渐增加、心肌特异性基因ANF、α—MHC、MLC-2α的表达量增加,具有相似的动作电位时程和收缩性等特点,相当于幼稚型心肌细胞。将它们应用于已知作用药物的心脏毒性筛选,检测心肌细胞离子通道、动作电位、心脏损伤标志物、收缩功能的变化,获得与临床相似的结果。因此,建立人胚胎干细胞和诱导型人多能干细胞诱导分化心肌细胞的体外评价模型,大大减少了药物研发的时间和成本,克服了种属间的差异,推动了心脏毒性体外评价方法的发展。     

诱导多能干细胞在医学方面的应用

2006年,首次报道在体外简单的转录因子就可以使体细胞重编程为多能性细胞。自从这项技术诞生以来,人们为改善诱导多能干细胞(iPSCs)技术做出了巨大努力,发展各种方法用于将重编程因子导入体细胞制备诱导多能干细胞(iPSCs)。诱导多能干细胞(iPSCs)技术彻底改变了人类对疾病发病机制的探索和药物开发的进程。本文简述了诱导多能干细胞的来源及诱导策略、近年来iPSCs在疾病建模、药物研发、再生医学等方面的应用,同时探讨了该技术当前存在的问题,并对未来进行了展望。     

研发动态

中科院广州健康研究院破解体细胞"变身"多能干细胞的分子障碍诱导干细胞是指在外源因子诱导下,体细胞在体外"变身"为与胚胎干细胞具有同样特征的多能干细胞。这在组织器官移植、基因治疗中具有重要意义,在新药开发筛选、新基因发掘、毒性     

无饲养层和动物源蛋白的β-地中海贫血诱导多能干细胞系的建立

β-地中海贫血患者因无合适的造血干细胞供体来源从而不得不靠输血维持生命。诱导多能干细胞(iPS)技术为获得患者自身遗传背景的干细胞进行临床治疗开拓了新途径。目前,建立iPS细胞系的过程需要使用小鼠胚胎成纤维细胞作为饲养层和动物源的蛋白成分,因此建立的iPS细胞系存在病原体和动物源蛋白污染的可能性,不能应用于临床。采用目前商品化的TeSRTM2和StemAdhereTMDefined Matrix限定培养体系,利用Oct4、Sox2、Klf4、c-Myc 4个转录因子组装在同一表达载体的可切除的慢病毒感染人β-地中海贫血成纤维细胞,建立了5株无饲养层和动物源蛋白的β-地中海贫血iPS细胞系,这些iPS细胞系具有人胚胎干细胞典型的特征,表达人胚胎干细胞的多能性分子标记,如Oct4、Nanog、Tra-1-60等。在体外分化能够形成拟胚体,在体内分化能够形成含有3个胚层类型细胞的畸胎瘤。     

干细胞与再生医学研究进展

干细胞具有分化成为体内所有类型细胞的能力,因此,其在再生医学治疗、体外疾病模拟、药物筛选等方面具有广阔的应用前景。干细胞技术在近些年取得了突飞猛进的发展,特别是诱导多能性干细胞的出现使干细胞领域经历了一场巨大的变革。我国干细胞研究在这场干细胞技术变革中取得了多项重大成果,逐渐成为了世界干细胞研究领域中的重要力量。本综述着重介绍近几年来,主要是诱导多能性干细胞技术出现之后,我国在干细胞和再生医学领域取得的重要进展,主要涵盖诱导多能性干细胞、转分化、单倍体干细胞以及基因修饰动物模型和基因治疗等方面。     

原始生殖细胞发生的机制

生殖细胞的发生是发育和遗传的基础。在几乎所有哺乳动物中,原始生殖细胞(primordial germ cell,PGC)均由近端上胚层体细胞在周边细胞特定的信号诱导下特化而成。目前的研究已经发现一些与生殖细胞特化有关的信号分子和关键转录调控元件,以及特化后生殖细胞获得的与体细胞不同的生物特性。生殖细胞的特化是一个结合了体细胞发育程序的抑制、细胞多能性程序的启动和全基因组表观遗传重编程三个方面的动态的复杂过程。多能性干细胞(胚胎干细胞或诱导型多能干细胞)具有发育全能性,能分化为机体任何一种细胞类型,包括生殖细胞。利用多能性干细胞体外分化形成生殖细胞有助于深入系统地研究配子发生的调控机制,为干细胞在不育症治疗方面的应用带来新希望。     

原始生殖细胞发生的机制

生殖细胞的发生是发育和遗传的基础。在几乎所有哺乳动物中,原始生殖细胞（primordial germ cell,PGC）均由近端上胚层体细胞在周边细胞特定的信号诱导下特化而成。目前的研究已经发现一些与生殖细胞特化有关的信号分子和关键转录调控元件,以及特化后生殖细胞获得的与体细胞不同的生物特性。生殖细胞的特化是一个结合了体细胞发育程序的抑制、细胞多能性程序的启动和全基因组表观遗传重编程三个方面的动态的复杂过程。多能性干细胞（胚胎干细胞或诱导型多能干细胞）具有发育全能性,能分化为机体任何一种细胞类型,包括生殖细胞。利用多能性干细胞体外分化形成生殖细胞有助于深入系统地研究配子发生的调控机制,为干细胞在不育症治疗方面的应用带来新希望。     

诱导多能干细胞研究进展

成熟的体细胞过表达转录激活因子Oct4、Sox2、Klf4和c-Myc能够转化为具有多能性的干细胞,称为诱导多能干细胞。类似于胚胎干细胞,诱导多能性干细胞具有自我更新和多向分化潜能性两个主要特征。同胚胎干细胞相比,诱导多能干细胞不仅能够为以细胞替代治疗为核心的再生医学提供无限的细胞来源,而且有望解决胚胎干细胞临床开发面临的伦理道德及免疫排斥问题。从诱导多能干细胞技术的建立、重编程的机理及其在临床中的应用几方面作简要综述。     

诱导多能干细胞衍生的心肌细胞成熟问题及解决策略

诱导多能干细胞衍生的心肌细胞(iPSC-CMs)可为心肌梗死的替代疗法、体外疾病建模和药物毒性测试提供良好的平台。然而,iPSC-CMs与成熟心肌细胞之间在形态结构、生理功能、代谢和基因表达等方面尚存在较大的差异。miRNA调控、物理刺激、生化刺激和3D培养等可能是提高iPSC-CMs成熟的手段。本文对iPSC-CMs的诱导成熟问题以及解决策略作一综述。     

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。     

综述: 诱导重编程过程中的表观遗传重塑

多能干细胞(pluripotent stem cell,PSC)是一类具有自我更新能力和多向分化潜能的细胞,具有广泛的临床应用前景．诱导性多功能干细胞(induced pluripotent stem cell,iPS cell)的获得,解决了传统方式中的细胞来源和伦理学等问题,从理论研究和应用上实现了体细胞重编程的重大突破,也为疾病发生机制研究、药物筛选、个性化药物选择、细胞治疗和再生医学等研究创造了难得的机会,从而开启了多能干细胞应用的新纪元．iPS过程中有很多问题尚未得到解决,尤其是诱导重编程的分子机制方面,这也是近年来干细胞领域研究的热点．其中如何实现表观遗传的重编程被认为是亟待解决的核心问题之一．本文结合我们的研究,主要介绍诱导重编程领域表观遗传修饰重塑机制的研究进展,并展望未来研究中大规模信息整合分析的重要性．     

诱导重编程过程中的表观遗传重塑

多能干细胞(pluripotent stem cell,PSC)是一类具有自我更新能力和多向分化潜能的细胞,具有广泛的临床应用前景.诱导性多功能干细胞(induced pluripotent stem cell,i PS cell)的获得,解决了传统方式中的细胞来源和伦理学等问题,从理论研究和应用上实现了体细胞重编程的重大突破,也为疾病发生机制研究、药物筛选、个性化药物选择、细胞治疗和再生医学等研究创造了难得的机会,从而开启了多能干细胞应用的新纪元.i PS过程中有很多问题尚未得到解决,尤其是诱导重编程的分子机制方面,这也是近年来干细胞领域研究的热点.其中如何实现表观遗传的重编程被认为是亟待解决的核心问题之一.本文结合我们的研究,主要介绍诱导重编程领域表观遗传修饰重塑机制的研究进展,并展望未来研究中大规模信息整合分析的重要性.     

人类多能干细胞源心肌细胞的研究进展与应用前景

人类多能干细胞(human pluripotent stem cells,hPSC)具有无限增殖的能力并可体外分化成心肌细胞,可作为新型的细胞源用于心脏疾病的细胞替代疗法、药物检测及心脏发育生物学的基础研究。hPSC包括人胚胎干细胞(human embryonic stem cells,hESC)和诱导型人多能干细胞(human induced pluripotent stem cells,hiPSC),后者的出现不仅使干细胞个性化治疗成为可能,同时规避了人胚胎干细胞应用的医学伦理问题,具有较大的发展空间。尽管hPSC源心肌细胞的应用研究已取得极大进展,但将这种心肌细胞应用于临床仍有许多技术问题需要解决。该文将综述hPSC源心肌细胞的技术进展,探讨hPSC源心肌细胞的应用前景,并对存在的问题和挑战也进行了讨论。     

人胚胎干细胞Na?ve多能性状态建立的研究进展

胚胎干细胞在体外具有无限的自我更新和多向分化的潜能,因而具有重要的社会和经济价值。但是关于已建系的人胚胎干细胞是否处在Na?ve多能性状态至今仍有争议。Na?ve多能性状态的人胚胎干细胞建立是体外研究人类早期发育以及评估人胚胎干细胞安全应用的基础。目前很多研究报告了Na?ve人胚胎干细胞构建的方法,已成为当前再生领域研究的热点方向之一。本文将对这些进展作一综述,不仅将有助于人们扩大对人胚胎干细胞多能性调控的理解,也将有利于其未来更加安全有效地应用于临床。     

间充质干细胞定向心肌细胞分化的研究进展

心肌梗死是由心脏缺血引发心肌细胞不可逆的坏死造成的疾病。目前,用干细胞来治疗心肌梗死越来越具有吸引力。间充质干细胞(mesenchymal stem cells,MSCs)是一种多能干细胞,普遍存在于动物体的一些间质组织(如骨髓、脂肪)中。由于其良好的体外扩增能力、多向分化的潜能且不受伦理学制约等优点,学者们对如何让MSCs高效、定向地分化为心肌细胞,从而补充心脏病人缺血心肌的坏死细胞做了大量的研究。目前已经发现,使MSCs向心肌方向分化的体外诱导方法主要包括化学药物诱导、生物因子诱导、物理诱导、共培养诱导以及分子改造诱导(转移miRNA和转录因子)。该文旨在通过对以上五类方法进行综述,以此了解体外诱导MSCs心肌向分化的研究现状。     

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。     

人多能干细胞来源的肾定向分化平台的构建

肾是一种重要的人体器官,具有多种生理功能。然而,全球范围内约有10%的人口患有肾疾病。因此,建立一种接近人体肾的结构与功能的模型进行肾疾病的研究是十分必要的。多能干细胞体外定向诱导分化技术的兴起,为再生医学和精准医学领域注入了新的动力。本研究通过在体外条件下模拟体内肾发育的过程,将人多能干细胞包括胚胎干细胞和诱导多能干细胞,通过体外定向诱导分化形成肾的祖细胞,进而建立肾的结构与功能单位：肾元。该研究通过激活WNT信号通路,同时抑制TGF-β信号通路,将人多能干细胞从多能态定向诱导至原条阶段。之后通过细胞自分化的能力使其发育至中间中胚层,再通过激活FGF信号通路,将其分化至肾祖细胞阶段。流式细胞检测结果显示,肾祖细胞占总细胞数的51.5%～61.9%。通过免疫荧光检测发现：分化得到的结构中包含肾小球足细胞、近端小管、远端小管等肾组织结构。该研究建立的肾体外分化方法,具有稳定性好、分化效率高、重复性好的特点。为研究人类肾的早期发育机制,肾疾病模型构建,以及药物筛选提供了一种新的方法。     

干细胞疾病模型在肝脏代谢疾病研究和药物研发中的应用

新药研发的失败率之高众所周知,其中一个原因是依靠动物实验获得的临床前数据无法真实反映人类生理情况,不可避免地在药物进入临床试验后产生偏差,最终可能导致研发失利。基于人诱导性多能干细胞(induced pluripotent stem cells,iPSCs)或成体干细胞建立的疾病模型一方面提供了大量的细胞原材料;另一方面,由于iPSCs或成体干细胞可来源于患者,因而可准确模拟疾病的遗传背景。因此,干细胞疾病模型为药物临床前试验提供了更贴近人体生理和病理情况的体外细胞模型。更进一步地,通过建立群体iPSCs细胞库,可在体外细胞培养皿内进行人类遗传学研究,采用全基因组关联研究(genome-wide association study, GWAS)及定量性状基因座(quantitative trait locus, QTL)等方法筛选人群中与疾病、药物敏感性差异、细胞毒性差异相关的易感位点,为特定药物的毒性、易感性人群间差异等提供遗传学基础,进而为后续临床试验中合适的试验人群的招募提供理论依据。因而,干细胞疾病模型可潜在辅助新药研发,提高新药临床前试验的准确率,降低新药研发的周期和成本。本文以肝脏代谢疾病为对象,对干细胞来源的肝脏细胞疾病模型在代谢功能方面的生理机制研究、药物筛选和评估等领域进行综述。     

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。     

诱导性多能干细胞与神经系统疾病模型的构建(英文)

利用外源性转录因子将已分化成熟的细胞诱导为多能干细胞(induced pluripotent stem cells,iPS细胞)对构建神经发育性和神经退行性疾病的体外模型具有重要意义。从患有特定疾病或具有明确遗传基因异常的患者身上获取体细胞进行诱导建立的iPS细胞具有潜在的疾病原特质,这种疾病特异性iPS细胞可以用来研究疾病的发病机制和病理过程,也为药物筛选、药物毒性检测以及个体化治疗方案的制定提供了可能。本文概述了目前用于建立神经系统疾病模型的干细胞类型,重点讨论了利用iPS细胞技术建立脊髓性肌萎缩症、肌萎缩性脊髓侧索硬化症和帕金森病等常见中枢神经系统疾病模型和药物干预的最新进展,并对该研究领域所面临的问题进行了详尽的分析。