从治疗糖尿病到帕金森病：iPS细胞正在彻底改变再生医学

再生医学正在改写医疗保健的未来，其中干细胞占据主导地位，研究人员报告称，他们实验性的诱导多能干细胞（iPSC）疗法可以恢复视力并治愈1 型糖尿病。

与胚胎干细胞不同，iPSC 是由成体细胞重新编程为多能状态，可分化为神经元、心肌细胞、产生胰岛素的胰腺细胞等多种细胞类型。专家称，iPSC 具有修复或替换受损组织的潜力，可治疗一系列被认为无法治愈的疾病，包括帕金森病、心力衰竭、脊髓损伤和糖尿病。

伊利诺伊大学芝加哥分校生物化学和分子遗传学助理教授康斯坦丁诺斯·克罗尼斯 (Constantinos Chronis)表示，由患者自身细胞制成的 iPSC 可最大限度地降低免疫排斥风险以及传统干细胞疗法的其他问题。

改变游戏规则的人

传统的干细胞研究和治疗主要依赖于胚胎干细胞（ESC），即从胚胎发育早期的囊胚内细胞团中提取的干细胞。科学家们从20 世纪 80 年代初开始研究 ESC。1998年，美国科学家分离出第一颗人类 ESC，但很快便引发了争议，因为人类 ESC 研究需要破坏人类胚胎。

哥伦比亚大学生物伦理学家安妮·齐默尔曼说：“我认为美国对胚胎干细胞的使用仍存在很大分歧。可以说成体细胞将能够提供一些干细胞疗法。”

ESC 研究为现代干细胞科学奠定了基础，包括 2006 年山中伸弥 (Shinya Yamanaka)开发的 iPSC 。

当研究人员将特定的转录因子（称为山中因子，即 OCT4、SOX2、KLF4 和 c-MYC）引入成人体细胞（如皮肤成纤维细胞）时，就会产生 iPSC。该技术使用化学或病毒编码指令，重置细胞的身份和命运。

康斯坦丁诺斯·克罗尼斯供图：小鼠胚胎干细胞群落的显微镜图像，其中标记有结构蛋白 E-cadherin（绿色）、干细胞转录因子 nanog（粉色）和细胞核（蓝色）。

临床前沿

2024年10月，中国北京大学邓宏魁教授团队报告称，他们利用化学诱导的iPSCs来源的胰岛成功恢复了1型糖尿病患者的血糖控制。

文献截图

研究团队将患者脂肪组织中的间充质基质细胞重新编程为 iPSC，然后利用促进胰腺细胞分化的生长因子和细胞因子将其转化为产生胰岛素的胰腺β细胞胰岛。分化后，研究人员将这些合成胰岛移植到患者的腹部肌肉下。移植一年后，患者无需注射胰岛素即可维持血糖控制。

奥地利因斯布鲁克大学基因组学、干细胞生物学和再生医学及分子生物学研究所所长弗兰克·埃登霍费尔(Frank Edenhofer) 表示，这种自体方法，即从患者自身组织中提取β细胞，可将免疫排斥的风险降至最低。不过，他表示，对于拥有标准设备的医院中的大量患者来说，这种方法“以个性化方式生产的成本可能太高”。

此外，初步研究的样本量较小，因此无法得出有关安全性和可重复性的广泛结论。 克罗尼斯和 埃登霍费尔表示，未来的研究必须解决移植的可扩展性和长期后果问题。

在 1 型糖尿病研究发表两周后，日本的研究人员报告称，他们使用 iPSC 治疗角膜缘干细胞缺乏症。在这种罕见的眼部疾病中，角膜干细胞无法再生和修复眼球表面。日本团队将人类 iPSC 分化为角膜上皮细胞，并将其改造成适合移植的细胞片。两年后，患者的视力变得更清晰，角膜也不再浑浊。

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本次试验涉及四名患者，他们接受来自第三方细胞系的 iPSC 衍生角膜上皮细胞，因此移植的细胞在基因上与患者的细胞不匹配。因此，一些患者必须接受免疫抑制药物治疗，以减轻自身免疫的风险。

“这项研究采用了同种异体方法，” 埃登霍费尔说。“你可以制造一大批细胞，然后分发到临床中心，为众多患者提供这种疗法。这相对来说成本较低。”

另外，加州大学洛杉矶分校健康中心正在进行一项类似的针对角膜缘干细胞缺乏症的早期临床试验。

尽管存在局限性， 埃登霍费尔和 克罗尼斯都认为这些研究代表了该领域的重要进展。

克罗尼斯表示：“这些研究非常棒，因为我们现在谈论的是在真实的患者身上做一些我们十年前或五年前设想的事情，实时观察这些细胞的结果，同时持续监测不良反应。”

伊丽莎白·戈德温是一位 41 岁的成年女性，患有 1 型糖尿病，她表示，她对任何可以恢复身体产生胰岛素能力的疗法都很感兴趣。

“即使我严格控制血糖……我也无法用合成胰岛素达到与自然产生的胰岛素相同的效果，”戈德温说。“它需要更长的时间才能起效，需要更长的时间才能停止起效，而且更难以预测，这需要我付出大量的精神和实际努力才能将自己保持在安全范围内。”

戈德温还表示，干细胞疗法可能会让她将经济资源和精力转移到与家人相处和旅行上。但她也会担心潜在的副作用，比如癌症，以及干细胞是否能终生有效。

“我感觉自己每分每秒都在依赖胰岛素，而胰岛素是我活下去的唯一选择，”戈德温说。“我希望看到治疗方案能够取得进展，超越目前的方法，自 20 世纪 20 年代首次注射胰岛素以来，这种方法一直是 1 型糖尿病的标准治疗方法。”

康斯坦丁诺斯·克罗尼斯供图：标记有膜蛋白 CD24（红色）、干细胞转录因子 OCT4（绿色）和细胞核（蓝色）的人类诱导多能干细胞集落的显微镜图像。

iPSC 的工作原理

由于研究人员可以将干细胞转化为多种细胞类型， 克罗尼斯强调需要区分干细胞衍生的细胞行为和分子特征。

“能够产生功能性细胞是我们的目标，” 克罗尼斯说道。“但是，拥有一个能够非常准确和紧密地重现（身体）体内对应物的真实分子身份也同样重要。”

他补充说，干细胞领域的发展速度远远超出很多人的预期，但缺乏坚实的基础知识。

克罗尼斯表示：“不同的实验室提出了多种转录因子组合，甚至化学物质，用于生成这些重编程的细胞。因此，很难有一套标准化的实践，让每个人都可以遵循并尝试改进以提高协议保真度。”

克罗尼斯和他的团队正在努力创建哺乳动物干细胞发育的路线图，科学家可以以此为指导，创建与人类 ESC 细胞发育早期阶段极为相似的 iPSC。

克罗尼斯表示：“我们目前的研究重点是了解山中伸弥因素如何瓦解体细胞身份。”

他们最近利用山中伸弥因子和其他信号，将皮肤成纤维细胞转化为非皮肤内胚层组织，这种组织会发育成人体的许多内脏器官。 克罗尼斯表示，利用这项技术，研究人员可以完全绕过 iPSC 生成，从而缩短生产时间、降低制造成本并可能提高安全性。

克罗尼斯表示：“成纤维细胞可塑性的全貌还有待观察。但这为细胞替代疗法提供了一条令人兴奋的新途径。”

康斯坦丁诺斯·克罗尼斯供图：用膜蛋白 CD130（红色）、干细胞转录因子 OCT4（绿色）和细胞核（蓝色）标记的人类诱导多能干细胞集落的显微镜图像。

大脑中的干细胞

埃登霍费尔认为，神经系统干细胞是细胞替代疗法的理想细胞来源，因为它们可以产生神经系统的主要细胞类型，包括神经元、星形胶质细胞和少突胶质细胞。这种可塑性可以使它们整合到现有的神经回路中，以恢复神经退行性疾病患者失去的功能。

然而，患者来源的神经干细胞的获取和利用却十分有限。这些自然产生的细胞很难采集，因为它们位于大脑内部区域，而且由于其遗传编程，它们的增殖潜力有限。

因此， 埃登霍费尔希望利用易于获取的患者来源细胞来生成神经干细胞，用于替代疗法。为了满足这一需求，他的团队创建了一种协议来生成他们所谓的诱导神经干细胞（iNSC）。

埃登霍费尔团队直接从患者真皮成纤维细胞或血细胞中生成iNSC。首先，他们用非整合病毒感染细胞，该病毒含有改良版的 Yamanaka 因子 — OCT4、KLF4、SOX2 和 c-MYC。经过短暂的孵育后，该团队将去分化细胞转移到含有促进增殖和神经分化的生长和存活因子的神经诱导培养基中。

埃登霍费尔表示，尽管 iNSC 是人工构建的，但它们在转录上与来自多能干细胞或原代组织的细胞并无区别。

“从实际角度来说，生成诱导神经干细胞的成本效率更高，速度也更快，因为如果你想通过 iPSC 生成神经干细胞，我们必须首先生成 iPSC，” 埃登霍费尔说道。“这意味着大量的细胞培养时间、大量的资源、成本、（劳动力）以及在长时间培养过程中出现不良细胞变化的风险。之后，你仍然必须将这些 iPSC 重新分化为神经细胞。我们在这里走了一条捷径，这让我们能够以四倍的速度完成这一过程。”

神经再生

埃登霍费尔实验室的研究表明，iNSC 可以减轻神经炎症，恢复患有多发性硬化症 (MS) 和脊髓损伤的小鼠的运动控制。研究人员通过脑室内注射将 iNSC 移植到小鼠体内，绕过血脑屏障，从而降低脑脊液中促炎代谢物琥珀酸的含量，从而实现这一目标。

埃登霍费尔供图：神经干祖细胞分化为神经元和星形胶质细胞的显微镜图像，这些神经元和星形胶质细胞用结构蛋白 β3-微管蛋白 (绿色) 和细胞核 (蓝色) 标记。

“从长远来看，我们必须将微环境从抗再生转变为促再生，” 埃登霍费尔说。“当你将我们的诱导神经干细胞移植到受伤部位时，它们具有抗炎作用，这意味着它们可以识别促炎分子，如细胞外琥珀酸，并像海绵一样吸收它。它们还会激活抗炎基因来诱导髓鞘再生和神经元重新布线。”

埃登霍费尔表示，为了在人体中使用这种方法而不冒免疫排斥的风险，iNSC 必须取自患者自身的成纤维细胞，而患者的疾病可能会影响这些细胞。

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因此，他的团队最近在小鼠身上进行了一项研究（上图），比较了来自人类健康供体的真皮成纤维细胞衍生的 iNSC 和来自患有渐进性 MS 的患者的 iNSC。他们发现，来自 MS 患者成纤维细胞的 iNSC 增加了葡萄糖依赖性脂肪酸和胆固醇的合成，从而导致脂质滴积聚。这种积聚导致 iNSC 上调炎症信号并呈现衰老样表型，从而促进成熟神经元的神经毒性。

为了解决这个问题，研究人员向 MS 患者来源的 iNSC 施用了 HMGCR 抑制剂辛伐他汀，从而逆转了过度炎症表型；从而降低了潜在的神经毒性。

展望

2018 年，美国国立卫生研究院花费 3100 万美元用于胎儿组织研究。2019 年，唐纳德·特朗普总统签署法规，禁止美国国立卫生研究院的科学家进行此类研究。在特朗普第一届政府期间，政策转变有利于成人干细胞和诱导性多能干细胞研究，认为它们是争议较少的替代方案。

近期，美国卫生与公众服务部部长罗伯特·F·肯尼迪 (Robert F. Kennedy Jr.) 在接受华盛顿州民主党参议员玛丽亚·坎特韦尔 (Maria Cantwell)的确认听证会时被问及干细胞研究问题，肯尼迪表示他将“保护干细胞研究”。

在再生医学的前沿领域，个性化诱导多能干细胞（iPSC）应用正掀起一场意义非凡的变革，成功攻克了长期以来横亘在医学发展道路上的伦理难题与诸多技术瓶颈。从治疗糖尿病到帕金森病，iPSC 细胞展现出了令人瞩目的潜力，正在逐步改写疾病治疗的传统模式。

总的来说，iPSC 细胞凭借其独特的优势，正在从根本上改变再生医学的格局。它不仅巧妙地绕过了胚胎干细胞研究面临的伦理困境，而且在技术层面为细胞治疗提供了更为安全、有效的途径。从糖尿病到帕金森病，以及未来可能涉及的更多疾病领域，iPSC 细胞正在逐步展现出其强大的变革力量，引领再生医学迈向一个全新的时代。