诱导性多能干细胞技术的研究进展及其应用前景_吴翠玲
文章编号（Article ID）：1009－2137（2014）04－0883－06·专论·诱导性多能干细胞技术的研究进展及其应用前景
吴翠玲，张玉明*
南方医科大学南方医院小儿科，广东广州510515
摘要在分化的体细胞中表达转录因子可以诱导体细胞重编程，获得诱导性多能干细胞（induced pluripotent stem cells，iPS cells）。这些细胞具有不断的自我更新能力和多向分化潜能，这些细胞重编程领域的突破性研究进展，为细胞重编程机制、人类疾病发病机制的研究及发展新的治疗方法提供了一种强有力的工具。iPS细胞技术是当前干细胞研究领域的热点之一，近年来取得了迅猛的发展。最初，研究者利用逆转录病毒作为载体将4种转录因子导入小鼠成纤维细胞诱导其重编程。近年来，iPS细胞的诱导方法不断改进，包括使用不整合入宿主细胞基因组的病毒载体、非病毒载体或者用基因敲除的方法切除导入的外源基因，从而产生了更为安全的iPS细胞系，许多小分子化合物也被证实能显著提高重编程效率。iPS细胞在再生医学、疾病模型的建立及药物筛选等领域正逐渐显现出它巨大的应用价值。本文回顾过去几年iPS细胞技术的研究进展，包括诱导方法的改进、iPS细胞诱导效率的提高和安全性的提高，并探讨iPS细胞的临床应用前景及当前研究存在的问题。
关键词干细胞；诱导性多能干细胞；体细胞重编程；临床应用
中图分类号Ｒ329．28文献标识码A doi：10．7534/j．issn．1009-2137．2014．04．001 Progress and Potential Applications of Induced Pluripotent Stem Cell Technology———Editorial
WU Cui-Ling，ZHANG Yu-Ming*
Department of Pediatrics，Nanfang Hospital，Southern Medical University，Guangzhou510515，Guangdong Province，China
*Corresponding Author：ZHANG Yu-Ming，Associate Professor，Tutor of Master Postgraduate．E-mail：yumingzhang1966@hotmail．com Abstract Differentiated somatic cells can be reprogrammed to a pluripotent state through ectopic expression of specific transcription factors．These reprogrammed cells，which were designated as induced pluripotent stem（iPS）cells，are detected to exhibit unlimited self-renewal capacity and pluripotency．This breakthrough in stem cell research provides
a powerful and novel tool for the studies on pathogenesis of diseases，reprogramming mechanism and development of
new therapies．For this reason，the iPSC technology has currently become one of the hot topics in stem cells research．Ｒecently，major progress in this field has been achieved：initially，researchers succeeded in inducing the reprogramming of mouse fibroblasts by retroviral transduction of four specific transcription factors；in succession，the accelerated development of iPSC technology by employing non-integrating viral vectors，non-viral vectors or removing the introduced foreign genes via gene knock-out has ensured the yields of much safer iPSC；meanwhile，some researches discoversed the proofs that a number of micromolecular compounds were potent in accelerating the cellular reprogramming．For a prospect，iPSC are highly promising for regenerative medicine，disease modeling and drug screening．In this review，the recent progress in the generation of iPSC，prospects of their possible clinical applications and problems in the iPSC research are summarized and discussed．
Key words stem cell；induced pluripotent stem cell；reprogramming；clinical application
J Exp Hematol2014；（4）：883－888
2006年，日本京都大学的山中伸弥研究小组［1］报道了关于诱导性多能干细胞的研究成果，引起了极大反响并迅速成为干细胞领域的研究热点。该研究小组从24个候选基因中筛选出4个与细胞多能性密切相关的转录因子，利用逆转录病毒载体将这4个转录因子（Oct3/4、Sox2、Klf4和c-Myc，以下简称OSKM）导入小鼠成纤维细胞内，使其重编程得到一种多潜能干细胞。这种细胞在形态学、生长特性、基因表达、畸胎瘤形成及嵌合体形成等方面都与胚胎干细胞非常相似，研究人员把这些细胞命名为诱导性多能干细胞。在iPS技术出现之前，实验研究的干细胞来源主要是从胚胎内细胞团直接分离得到
基金项目：广东省自然科学基金（S2011010003914）；国家自然科学基金（81270632）；广州市科技计划项目（2013j4100108）
*通讯作者：张玉明，副教授，副主任医师，硕士研究生导师．E-mail：yumingzhang1966@hotmail．com
2014－02－08收稿；2014－04－23接受
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胚胎干细胞，或通过核移植和细胞融合技术诱导体细胞重编程获得多能干细胞，虽然这些干细胞都具有多向分化潜能，但这些技术都因为面临着伦理学争议、免疫排斥、来源有限等问题而限制了其发展和应用。iPS细胞技术不但克服了传统多能干细胞研究在伦理学方面的障碍，还因其来源广泛、相对容易获得、能得到个体或疾病特异的多能干细胞等优点，在细胞替代治疗、疾病研究、药物筛选等方面都有广阔的应用前景，所以，iPS细胞技术自问世以来就受到广泛的关注，并在短短几年之内迅速发展。
iPS细胞技术的研究进展
iPS细胞技术最初通过逆转录病毒载体转导转录因子OSKM诱导细胞重编程。这种方法涉及病毒载体在基因组中的随机整合以及导入原癌基因，有引发细胞恶性转变的风险，其重编程效率也偏低。因此，研究人员一直致力于提高iPS细胞的诱导效率和安全性方面的研究。近年来重编程方法不断改进，出现了一些没有载体序列整合甚至是不导入外源基因的方法，提高诱导效率方面的研究也取得了巨大的进展。
不同供体细胞重编程的研究
第一代iPS细胞来源于小鼠的成纤维细胞。2007年，两个研究小组分别成功建立人iPS细胞系，使建立患者或疾病特异的多能干细胞成为可能，iPS 技术向临床应用迈出了重要的一步［2－3］。目前，除皮肤成纤维细胞外，羊水细胞、角质细胞、脂肪干细胞、外周血细胞等不同组织来源、不同分化阶段的细胞，都能重编程为iPS细胞［4－7］。Dimos等［8］成功将一名82岁的家族性肌萎缩侧索硬化（ALS）患者的皮肤成纤维细胞重编程为iPS细胞。随着研究的深入，可重编程为iPS细胞的体细胞种类越来越多，也不受供者年龄的限制。然而，不同组织来源的体细胞，其重编程效率、诱导时间、分化潜能等方面存在较大的差别。与成纤维细胞相比，成人的脂肪干细胞重编程效率更高，可达到0．2%［6］，间充质干细胞的重编程效率高于骨祖细胞［9］，提示分化程度低的细胞较容易重编程回到多能性状态。另外，iPS 细胞的分化潜能受来源细胞的表观遗传记忆影响，更易于向供体细胞谱系分化。Bar-Nur等［10］发现，胰岛β细胞来源的iPS细胞比胚胎干细胞或非β细胞来源的iPS细胞更容易分化为胰岛素分泌细胞。这可能对iPS细胞用于细胞替代治疗时供体细胞类型的选择有提示作用。研究者还发现外周血细胞及尿液中分离得到的肾小管上皮细胞能被重编程为iPS细胞［11］，相对于皮肤成纤维细胞而言，从血液或尿液样本中取材更为方便。所以，有必要对不同体细胞重编程进行研究，寻找同时具备高效、安全、取材方便的理想供体细胞，将会为iPS细胞的临床应用提供有力的支持。
诱导因子的选择
研究者最初通过Oct3/4、Sox2、Klf4和c-Myc4个外源转录因子诱导体细胞重编程。然而，其中的c-Myc是一个明确的原癌基因，包含c-Myc的转录因子组合重编程获得的iPS细胞，由于c-Myc基因的再活化，其形成的嵌合体小鼠中约有20%会形成肿瘤［12］，Oct3/4、Sox2、Klf4也被认为与某些肿瘤的发生有关。因此研究者们尝试用不同的诱导因子组合或者减少诱导因子的数目，以提高iPS细胞的安全性。Nakagawa等［13］用Oct3/4、Sox2和Klf43个转录因子成功将小鼠和人的体细胞诱导为iPS细胞，这些iPS细胞来源的嵌合体小鼠在研究期间未观察到肿瘤发生。但是，无c-Myc的转录因子组合，其重编程效率偏低，诱导时间也比较长。此结果提示c-Myc不是诱导细胞重编程所必需的因子，但能提高重编程效率。Nakagawa等［14］则发现，Myc家族的另一个成员L-Myc也能提高诱导效率，且相对于含有c-Myc的转录因子组合，L－Myc转录因子组合诱导的iPS细胞产生的嵌合体小鼠，肿瘤的发生率明显降低。Huangfu等［15］发现利用组蛋白脱乙酰酶抑制剂－丙戊酸（VPA），只需Otc4和Sox22个转录因子就可以诱导人成纤维细胞重编程。Kim等［16］报道，只需Otc41个转录因子即可诱导成年小鼠的神经干细胞重编程为iPS细胞。而最近的研究证实，一些小分子化合物的组合可以完全代替转录因子诱导细胞重编程［17］。
重编程方法的改进
诱导体细胞重编程过程中，一般通过逆转录病毒或慢病毒等病毒载体转染细胞的方式，将外源转录因子整合到基因组中。这些病毒载体整合到宿主细胞基因组中有导致细胞恶性转化的潜在风险。改进诱导方法以获得安全可靠的iPS细胞是iPSC技术的研究重点之一。
有研究人员考虑使用非整合的病毒载体。Stadtfeld等［18］用腺病毒载体转染小鼠成纤维细胞和肝细胞获得小鼠iPS细胞。腺病毒载体不整合入
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宿主细胞基因组中，从而降低细胞的癌变风险。Fusaki研究小组［19］用仙台病毒载体转染体细胞，也获得了无外源基因整合的iPS细胞。仙台病毒是单链ＲNA病毒，其生活周期完全在胞质中进行，没有DNA相，无基因整合风险，且仙台病毒载体的重编程效率比腺病毒载体高。
近年来，非病毒重编程方法也层出不穷。2008年，Okita研究小组［20］通过2种质粒（一种带有Oct4、Sox2、Klf4因子，另一种带有c-Myc诱导因子）重复转染获得小鼠胚胎成纤维细胞来源的iPS细胞。这些细胞在分裂过程中会逐渐失去这些质粒，但其诱导效率低于逆转录病毒载体诱导法。Warren 等［21］发现，人工合成的编码转录因子蛋白的mＲNA 也可以诱导体细胞重编程，用5个重编程因子（OSKM+LIN28）的mＲNA组合诱导重编程，在低氧条件下培养，其重编程效率达到4．4%，诱导时间也缩短。有研究者尝试直接向体细胞导入诱导因子蛋白，也可以成功诱导体细胞重编程。Zhou等［22］将Oct4、Sox2、Klf4和c-Myc4种诱导因子蛋白导入小鼠胚胎成纤维细胞获得了小鼠iPS细胞，这些蛋白质需连接聚精氨酸细胞穿膜肽以使它们顺利穿过细胞膜。2009年，Judson等［23］发现，导入胚胎干细胞特异性microＲNA可以提高小鼠iPS细胞的重编程效率。两年后，两个独立的研究小组分别证实单独使用miＲNA也可以诱导细胞重编程。Anokye-Danso研究小组［24］用miＲ302/367簇，在不导入转录因子的状态下，成功诱导小鼠和人体细胞重编程，且microＲNA诱导法比OSKM转录因子诱导法的重编程效率高。为了寻找能替代Oct4因子诱导细胞重编程的小分子化合物，北京大学邓宏魁教授［17］带领的研究团队从10000种小分子化合物中进行筛选，最终确定7种化合物的组合能诱导小鼠体细胞重编程，其诱导效率达到0．2%，研究人员把这些细胞命名为"化学诱导的多能干细胞－CiPS细胞"。
切除导入iPS细胞中的转录因子基因和载体序列，也能获得无外源基因的iPS细胞系。一种方法是用piggyBac转座子将转录因子导入体细胞诱导其重编程，piggyBac转座系统的精确切除特性可切除外源基因序列［25］。另一种方法是利用Cre/LoxP 重组酶系统介导的外源基因切除。Soldner等［26］构建含有4种转录因子的慢病毒载体诱导帕金森病患者的成纤维细胞重编程，这些载体的两端引入LoxP 序列。重编程为iPS细胞后，在细胞中表达Cre重组酶识别并切除LoxP位点之间的外源基因，切除外源基因的iPS细胞仍然保持其多能性。重编程效率的提高
在最初的研究中，iPS细胞的转化效率极其低下，重编程所需时间长，提高iPS细胞的诱导效率的研究近期也取得了突破性的进展。除了选择的体细胞及载体类型、转绿因子的组合及细胞培养条件可影响重编程效率以外，研究还发现许多小分子化合物在iPS细胞形成过程中的重要作用。细胞的重编程过程受到复杂而精细的调控，随着对重编程机制的认识逐渐深入，研究者发现了许多调控细胞生命历程的关键化合物，增加或减少这些物质在细胞中的含量，或通过这些化合物激活或抑制重编程相关的信号通路，可显著提高重编程效率。丙戊酸（VPA）和丁酸钠是组蛋白去乙酰化酶抑制剂，其中VPA可以把重编程效率提高超过100倍［27］，而丁酸钠可以使重编程效率提高15－50倍［28］。Shi等［29］发现，小分子化合物组合BIX-01294（组蛋白甲基转移酶抑制剂）、BayK8644（钙通道激动剂）只需与转录因子Oct4、Klf4联用就可以诱导小鼠胚胎成纤维细胞重编程，表明这两种化合物能提高诱导效率或代替Sox2诱导细胞重编程。SB43142及PD0325901两种化合物的组合也能显著提高重编程效率，其中SB43142是一种TGFβ受体抑制剂，PD0325901则是一种MEK信号通路抑制剂。而Thiazovivin （ＲOCK通路抑制剂）与SB43142、PD03259013种化合物的组合，可以使重编程效率提高超过200倍，重编程时间也缩短［30］。在诱导体系中加入Wnt3a-CM，激活Wnt信号通路，则可促进细胞重编程［31］。北京大学陶伟研究小组［32］发现NuＲD（核小体重组和脱乙酰基酶）复合体可阻碍细胞重编程。Mbd3（甲基化CpG结合域蛋白3）是NuＲD复合物的核心组分，它通过Mbd2-Mbd3之间的相互作用聚集到DNA的甲基化区域并募集其他蛋白质共同组成转录抑制复合体，直接或间接抑制多种关键的多能性基因的表达。去除Mbd3可以提高iPS细胞的诱导效率。Ｒais等［33］从体细胞中去除Mbd3，用OSKM4个转录因子诱导重编程，使小鼠和人的体细胞重编程效率提高到接近100%，重编程所需时间缩短到7 d。这一发现极大地改善了iPS细胞重编程低效且缓慢的状况，是iPS细胞技术的一个重大突破。
iPS细胞的应用
疾病模型的建立
在iPS细胞发现以前，疾病的研究及药物试验大多在动物模型上进行。然而，由于种属差异等原因，动
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诱导性多能干细胞技术的研究进展及其应用前景
物模型无法完全模拟某些人类疾病的表型。疾病特异的iPS细胞能分化为特定的细胞类型，这些细胞能重现疾病的病理表型，是较为理想的建立疾病模型的手段。通过iPS细胞建立的疾病模型有利于更深入地了解这些疾病，为这些疾病的发病机制、病理生理学研究及药物的研发提供一个新的平台。2008年，Dimos等［8］将家族性肌萎缩侧索硬化症（ALS）患者的体细胞重编程为iPS细胞，并诱导其分化为具有疾病特征的运动神经元。这是首次将患者的体细胞重编程为疾病特异的iPS细胞。先天性长QT 间期综合征是由于编码心肌细胞离子通道蛋白的基因突变，导致离子通道功能障碍而引起的一组心律失常综合征。Bellin等［34］借助患者特异的iPS细胞分化而来的心肌细胞，揭示了KCNH2基因突变在疾病表型中的作用，进一步阐明了Ⅱ型长QT综合征的发病机制。Yagi等［35］将家族性阿尔茨海默病患者来源的iPS细胞诱导分化为神经元，这些神经元能在试管中重现阿尔茨海默病的病理改变。此结果提示这些疾病特异的iPS细胞是阿尔茨海默病良好的疾病模型。目前，神经系统疾病、心血管疾病、代谢性疾病、血液病、免疫系统疾病等多个系统的多种疾病已建立相应的iPS细胞系［34－39］。随着iPS细胞制备技术的逐渐成熟，加之患者体细胞的易获得性，将会有更多疾病特异的iPS细胞系得以建立，iPS细胞技术将展现出更大的应用价值。
药物研发和评价
疾病特异的iPS细胞能在试管中重现某些疾病的发生发展过程和病理生理特点，可以作为筛选药物的工具，iPS细胞技术的问世为药物的研究提供了一种新的资源。Matsa等［40］发现，在Ⅱ型长QT综合征中，儿茶酚胺能使疾病特异iPS细胞来源的心肌细胞发生心律失常，而β-受体阻断剂能扭转这种效应。由于种属差异，某些药物对人体的毒副作用不一定能在动物上表现出来，相反，一些原本对人体无毒的药物，在实验动物上却表现出毒性，iPS细胞能被诱导分化为不同类型的体细胞用于药物筛选，针对人iPS细胞来源的体细胞的药物安全性和有效性评价，将能获得更为可靠的数据。此外，获得患者特异的iPS细胞，还可以对药物进行个体化评估，提供个体化的治疗方案。
再生医学与基因治疗
由于利用iPS细胞技术能获得患者特异的iPS细胞，这些细胞具有多能性和自我更新能力，诱导iPS 细胞定向分化后可用于细胞替代治疗，在再生医学中有诱人的应用前景，近几年这个领域也出现了许多令人鼓舞的研究成果。2008年，Wernig等［41］把iPS细胞诱导分化为神经前体细胞并移植入胎鼠大脑内，这些细胞能分化为有功能和活性的神经元和胶质细胞。诱导iPS细胞分化为多巴胺能神经元，移植入帕金森病模型大鼠脑内，可以改善其症状。此外，Ⅰ型糖尿病特异iPS细胞能被诱导分化为胰岛β细胞［42］，美国科学家也通过iPS细胞技术，成功用人的体细胞培育出三维骨结构［43］，还有研究将iPS细胞诱导为可分泌VIII因子蛋白的内皮细胞和内皮祖细胞、原始生殖细胞、肝脏细胞、造血祖细胞等［44－47］。虽然离临床应用还有一定的距离，iPS细胞技术为再生医学提供了一种新的、相对易于操作的获取多能干细胞的方法，将会极大地促进再生医学的发展。
近年来有将iPS细胞技术结合基因治疗方面的报道，其中具有标志性意义的是用于治疗镰状细胞性贫血模型小鼠。2007年，Hanna等［44］将镰状细胞性贫血小鼠的尾尖成纤维细胞重编程为iPS细胞，通过同源重组技术修复这些基因缺陷的iPS细胞，再诱导这些iPS细胞分化为造血祖细胞后移植入小鼠体内。移植后的小鼠能产生正常的血红蛋白，其血液学指标和全身状况都明显改善。Ｒaya等［48］收集范可尼贫血患者的体细胞，用慢病毒载体转导正常的FANCA基因后将这些细胞重编程为iPS细胞，这些iPS细胞可以诱导分化成表型正常的红系和粒系造血祖细胞。通过同源重组技术修复β地中海贫血患者的iPS细胞的突变基因，然后诱导iPS细胞定向造血分化，移植入SCID小鼠体内能产生正常的人β-珠蛋白［49］。类似的研究也在α1抗胰蛋白酶缺乏症、营养不良性大疱性表皮松解症、假肥大性肌营养不良等疾病中开展［50－52］。iPS细胞技术为单基因遗传性疾病的治疗提供了新的方向。
iPS细胞技术存在的问题
iPS细胞规避了胚胎干细胞应用的伦理争议和来源问题，可以产生患者特异的多能干细胞用于替代治疗，可以定向分化为特定类型的细胞建立疾病模型用于疾病和药物的研究，因而具有广阔的应用前景。iPS细胞技术诞生以来，在短短的几年内取得了许多突破性的进展，日本政府已经批准了iPS细胞用于视网膜再生的临床研究计划，但是未来要真正将iPS细胞广泛应用于临床，还有一些问题亟待解决。
iPS细胞的安全性是研究者主要关心的问题。
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不少研究发现，与胚胎干细胞或重编程前的体细胞相比，iPS细胞有更多的表观遗传学变异、染色体异常及单个碱基水平的异常［53－55］。导致这些遗传异常的原因有很多，首先是针对细胞基因的操作所带来的潜在危险性。尽管近年体细胞重编程方法有了很多改进，但是用逆转录病毒载体转导外源转录因子仍然是目前最常用的重编程方法，然而逆转录病毒随机整合入宿主细胞基因组中可引起插入突变，另外，原癌基因的使用也对iPS细胞的安全性构成威胁。其次，是细胞水平的操作带来的潜在危险性，诱导体细胞重编程及干细胞定向分化过程复杂、需体外长期培养、使用多种外源因子和动物来源的材料等，也影响iPS细胞的稳定性和安全性。最后，用于诱导重编程的体细胞本身，也存在不同程度的异常。有研究表明，iPS细胞中蛋白质编码序列的点突变，至少有一半存在于重编程之前的体细胞，而其余的突变则是在重编程过程中或重编程之后发生［53］。此外，将未分化或不完全分化的iPS细胞移植入体内有导致畸胎瘤的可能，有必要寻找一种有效、可靠的方法区分和筛选正常分化的iPS细胞。所以，未来还需要更多、更深入的研究解决这些问题，寻找高效安全的重编程方法和可靠的iPS细胞筛选方法、设法改进细胞的培养条件，将会为iPS细胞的临床应用奠定坚实的基础。
结语
从iPS细胞技术的诞生，到世界首个iPS细胞临床研究计划的开展，只用了七年的时间。iPS细胞技术自诞生以来就在不断地快速发展，虽然在临床应用之前还有一些问题需要解决，但是我们有理由相信这些问题将随着研究的深入逐步得到解决。可以预见，在不久的将来，获得安全、高效、临床可用的iPS细胞，将会为许多人类疾病的治疗带来新的希望。
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888
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诱导性多功能干细胞——产生,发展,应用及展望
诱导性多功能干细胞 ——产生，发展，应用及展望 张博文，杨星九，李玖一，白末* 摘要：在胚胎干细胞研究因伦理道德和免疫排斥问题而受阻的时候，诱导性多功能干细胞(induced pluripotent stem cell，以下简称iPS细胞)的横空出世为干细胞研究指明了一条新的方向。近几年来iPS细胞研究取得了许多突破性的进展，其广泛的应用前景更向人们昭示着一个新的时代的到来。本文主要从iPS细胞的发展历程入手，综述了iPS细胞的理论及应用研究的关键进展，并对之后的研究进行了展望。 关键词：诱导性多功能干细胞，胚胎干细胞，病毒，癌变，细胞治疗 Abstract:When the embryonic stem cell research was blocked by ethical issues and immune rejection, induced pluripotent stem cell (hereinafter referred to as iPS cells), turned out for stem cell research indicated a new direction. iPS cells’ research in recent years has made many breakthroughs, prospects for its wide application to remind people of a new era. This article summarizes the theory and application of iPS cells, and the key to progress in the study, from the iPS cells to start the development process, and discussed the study in the future. Key words：induced pluripotent stem cell, embryonic stem cell, virus, Canceration, cell therapy IPS细胞是通过向体细胞中导入诱导基因，使体细胞重编程获得具有胚胎干细胞样特性的多能干细胞。iPS细胞的产生可谓干细胞领域的新里程碑。近几年，iPS细胞的研究突飞猛进，本文中结合最新的研究结果，综述了iPS细胞的产生背景、发展历程及其应用前景，并对今后iPS的研究发展进行了客观的展望。 1产生背景 干细胞(stem cells, SC)是一类具有自我复制能力(self-renewing)的多潜能细胞，具有再生各种组织器官和人体的潜在功能，医学界称为“万用细胞”。其中胚胎干细胞(Embrtibuc stem cell)更是具有全部的全能性，能够分化成人体内的所有细胞，具有非常广阔的应用前景。 早在上个世纪，人类就已经开始针对干细胞进行研究，试图通过各种不同的方法得到多能干细胞，其中突出的方法有胚胎干细胞（ES细胞）直接植入法；体细胞核转移 ----------------------------------------- *张博文，杨星九，李玖一：资料查阅与论文编写白末：资料查阅与论文整合
纳米技术发展史
纳米技术发展史 【摘要】纳米技术是21世纪科技发展的制高点，是新工业革命的主导技术，它将引起一场各个领域生产方式的变革，也将改变未来人们的生活方式和工作方式，使得我们有必要认识一下纳米技术的发展史。纳米技术的发展史是一个很长的过程，同时也是一个广泛应用的过程。 【关键词】发展纳米技术纳米材料 纳米技术基本概念 纳米技术是以纳米科学为基础，研究结构尺度在0.1～100nm范围内材料的性质及其应用，制造新材料、新器件、研究新工艺的方法和手 段。纳米技术以物理、化学的微观研究理论为 基础，以当代精密仪器和先进的分析技术为手 段，是现代科学(混沌物理、量子力学、介观物 理、分子生物学)和现代技术(计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术)相结合的产物。在纳米领域，各传统学科之间的界限变得模糊，各学科高度交叉和融合。 纳米技术包含下列四个主要方面： 1、纳米材料：当物质到纳米尺度以后，大约是在0.1—100纳米这个范围空间，物质的性能就会发生突变，出现特殊性能。这种既具不同于原来组成的原子、分子，也不同于宏观的物质的特殊性能构成的材料，即为纳米材料。如果仅仅是尺度达到纳米，而没有特殊性能的材料，也不能叫纳米材料。
过去，人们只注意原子、分子或者宇宙空间，常常忽略这个中间领域，而这个领域实际上大量存在于 自然界，只是以前没有认识到这个尺度 范围的性能。第一个真正认识到它的性 能并引用纳米概念的是日本科学家，他 们在20世纪70年代用蒸发法制备超微离子，并通过研究它的性能发现：一个导电、导热的铜、银导体做成纳米尺度以后，它就失去原来的性质，表现出既不导电、也不导热。磁性材料也是如此，象铁钴合金，把它做成大约20—30纳米大小，磁畴就变成单磁畴，它的磁性要比原来高1000倍。80年代中期，人们就正式把这类材料命名为纳米材料。2、纳米动力学，主要是微机械和微电机，或总称为微型电动机械系统,用于有传动机械的微型传感器和执行器、光纤通讯系统，特种电子设备、医疗和诊断仪器等.用的是一种类似于集成电器设计和制造的新工艺。特点是部件很小，刻蚀的深度往往要求数十至数百微米，而宽度误差很小。这种工艺还可用于制作三相电动机，用于超快速离心机或陀螺仪等。在研究方面还要相应地检测准原子尺度的微变形和微摩擦等。虽然它们目前尚未真正进入纳米尺度，但有很大的潜在科学价值和经济价值。3、纳米生物学和纳米药物学，如在云母表面用纳米微粒度的胶体金固定dna的粒子，在二氧化硅表面的叉指形电极做生物分子间互作用的试验，磷脂和脂肪酸双层平面生物膜，dna的精细结构等。有了纳米技术，还可用自组装方法在细胞内放入零件或组件使构成新的材料。新的药物，
诱导性多能干细胞的研究进展及其在再生医学上的应用
文献综述 诱导性多能干细胞的研究进展及其在再生医学上的应用 摘要：通过特定转录因子的过表达使体细胞重编程为诱导性多能干细胞（induced pluripotent stem cells， iPS 细胞），这一成果引起了整个生命科学领域的广泛关注. 由于 iPS 细胞不仅具有与人类胚胎干细胞（embryonic stem cell， ES 细胞）相似的基本特征，而且与 ES 细胞相比，不存在免疫排斥和伦理道德问题，因此，具有重要的临床应用潜能. 目前， iPS 细胞主要用于细胞分化和移植，并可提供体外的疾病模型，以便于研究疾病形成的机制、筛选新药以及开发新的治疗方法. 从 iPS 细胞的产生、诱导方法、生物学特征和在再生医学中的应用作以研究！ 关键词：诱导性多能干细胞；胚胎干细胞；重编程；再生医学 正文 1iPS 细胞的产生 主要经历了 3 个大的阶段. 1981 年，小鼠胚胎干细胞（embryonic stem cell，ES 细胞）建系干细胞是近 30 年来生物学发展最快的领域（Evans 和 Kaufman），这些具有全能性的细胞在体外可以诱导分化为不同类型的细胞，为组织修复开辟了新途径. 尽管这些细胞来源于囊胚内细胞团，基本不存在去分化和重编程的问题，但自诞生之日起，就一直深受伦理道德和异体排斥等问题的困扰. 随着克隆羊“多利”的诞生，开创了体细胞在卵母细胞中去分化和重编程的先河. 2000 年，Munsie等从小鼠体细胞核移植囊胚中分离得到了小鼠 ES 细胞，从而拉开了治疗性克隆研究的序幕，使利用病人的健康体细胞对自身的病变组织进行修复成为了可能，尽管这一技术可以避免异体移植所造成的排斥反应，但仍然深陷伦理道德争论的漩涡之中.2006 年，Yamanaka 等将 4 个转录因子导入已分化的小鼠皮肤成纤维细胞，进而获得了类似于 ES 细胞的多能性干细胞，即“诱导性多能干细胞”（induced pluripotent stem cells，iPS 细胞）. 2007 年，Yu 等和 Takahashi 等又分别采用相同的基因改造的方法将人的体细胞逆转为类 ES 细胞，这些划时代的成果不仅解决了利用干细胞进行组织修复所面临的免疫排斥和伦理学问题，在利用病人正常细胞进行组织自我修复方面具有巨大的应用前景，而且是用来研究细胞去分化和基因组重编程的重要途径（不需要胚胎或卵母细胞）. 这个具有里程碑意义的发现揭开了再生医学领域的新篇章. 2iPS 细胞的诱导方法 迄今为止，短短几年的时间内 iPS 细胞的研究取得了突飞猛进的发展，仅诱导方式而言，从病毒方法如逆转录病毒、慢病毒和腺病毒，到非病毒的转座子载体和蛋白质均能介导外源转录因子诱导产生 iPS 细胞. 利用逆转录病毒和慢病毒载体诱导生成 iPS 细胞时，可能会引起外源基因整合到体细胞基因组，引起插入突变，如果将这些 iPS 细胞应用于临床治疗，会存在安全隐患. 因此，Aoi 等利用不与宿主细胞整合的腺病毒、质粒为表达载体瞬时转染靶细胞可以获得 iPS
诱导性多潜能干细胞_iPS cells_的研究进展
诱导性多潜能干细胞(iPS cells)的研究进展 学生：吴淑可元培学院学号：00646145 摘要：诱导性多能干细胞被誉为生命科学领域新的里程碑, 本文将通过iPS细胞的由来、研究概况、制备方法以及应用前景四个方面来简述iPS细胞的发展历程和应用前景。 关键词：iPS细胞、转录因子、小分子化合物 1.iPS细胞的由来 2007年11月，日本和美国科学家分别宣布独立发现将普通皮肤成纤维细胞转化为多潜能干细胞的方法，得到的干细胞称为诱导多能干细胞iPS（induced pluripotent stem cells）细胞。这项发现一方面解决了利用胚胎进行干细胞研究在伦理、宗教和法律等诸多限制，另一方面也使得干细胞的研究来源更方便且制备相对简单易行，故iPS细胞一经问世，即在生命科学领域引起了一次轰动，被誉为生命科学领域新的里程碑。简单来说，iPS细胞就是借助基因导入技术将某些特定因子导入动物或人的体细胞，同时可选择性地在培养液中加入特定的小分子物质，即可将体细胞重编程为多潜能干细胞，这类细胞在克隆形态、生长特性、表面标志物、基因表达模式、表观遗传学特征、拟胚体(embryoidbodies，EBs)形成、畸胎瘤(teratoma)形成和嵌合体(chimeras)形成(针对小鼠)等方面与ES 细胞非常相似[1]。 2. iPS 细胞的研究概况 2006年8月，Yamanaka小组确定最少有4 种转录因子组合——Oct4、Sox2、c-Myc和Klf4即可将成纤维细胞重编程为iPS细胞[2]。次年11～12月，该小组和Thomson小组先后将人的体细胞重编程为iPS细胞[3.4]。 2007年12月，Jaenisch小组用iPS细胞来源的造血前体细胞成功治疗镰状红细胞贫血，从理论和实践上为人类单基因遗传病治疗奠定基础，次年4月，该小组证实鼠iPS细胞来源的多巴胺能神经元移植进帕金森病大鼠脑内，可有效缓解其症状和改善其行为, 说明iPS对复杂疾病治疗的可能性[5]。 2008年4月，美国加利福尼亚大学科学家报告称，他们将实验鼠皮肤细胞改造成iPS细胞，然后成功使其分化成心肌细胞、血管平滑肌细胞及造血细胞。 2009年2月，日本东京大学科学家宣布，成功利用人类皮肤细胞制成的iPS细胞培育出血小板，而且从技术上说用iPS细胞培育人类红细胞和白细胞都是可能的；紧接着，日本庆应大学科学家又宣布，成功用实验鼠的iPS细胞培育出鼠角膜上皮细胞。同年3月，iPS细胞研究便相继迎来两项重大突破。英国和加拿大科学家发现了不借助病毒、安全将普通皮肤细胞转化为iPS细胞的方法；美国科学家则宣布，他们可以将iPS细胞中因iPS转化需要而植入的有害基因移除，保证获得的神经元细胞的基本功能不受影响。同时美国研究人员宣布，他们可以通过蛋白质，而非任何核酸材料，将普通皮肤细胞转化为iPS细胞。紧接着，2009年4月，美国科学家首次对遗传疾病Fanconi 贫血症患者皮肤细胞中的基因缺陷进行了修补，进而将这些组织转化成了能扭转疾患病情的干细胞，从而在基因重组过程中，制造出了无遗传缺陷、功能强大的诱导多功能干细胞（iPS细胞），并再次定向诱导分化出纠正患者遗传性贫血所需的健康血液细胞。 2009年6月，日本iPS之父证明了不同细胞来源的iPS具有不同的致瘤性。同时鉴于目前iPS诱导效率太低，提出了iPS诱导的种质模型和随机模型加以探讨。 2009年7月，iPS细胞研究在临床应用道路上又迈出非常重要的一步。据《自然》和《细胞：干细胞》杂志报道，中国上海和北京两个科学团队分别利用iPS细胞克隆出活体实验鼠，首次证明iPS细胞与胚胎干细胞一样具有全能性。该成果让人们看到了iPS细胞具有实用性。 (https://www.360docs.net/doc/879714454.html,/society/2009-07/24/content_11766251.htm) 3. iPS 细胞的制备方法 目前，iPS细胞制备流程如下。简言之：a．分离和培养宿主细胞；b．通过病毒(逆转录病毒、慢病毒或腺病毒) 介导的方式将外源基因导入宿主细胞；c．将病毒感染后的细胞种植于饲养层细胞上，并于ES 细胞专用培养体系中培养，同时在培养液中根据需要加入相应的小分子物质( 如Wnt3a、5-AZA、BIX-01294、VPA、TSA等)以促进
使用诱导性多能干细胞_iPScells_修复心脏
数、着床数与空白对照组比较差异均无显著性。胎鼠发育良好,内脏观察指标均未见异常。说明复方枸杞子口服液在本实验规定剂量下未引起母体毒性、胚胎及胎鼠毒性,无明显的致畸作用,为生育期妇女服用该药的安全性提供了实验依据。 实验结果显示,低剂量组胎鼠表现为体质量较重、身长较长(P<0.01);中剂量组表现为活胎率高(P<0.05),死胎率低(P<0.05);3个剂量组的胎鼠骨骼发育都较空白对照组好,尤其是高剂量组胎鼠骨骼发育完全,无胸骨异常胎鼠(P<0.05),也无肋骨异常胎鼠(P<0.01)。表明复方枸杞子口服液对胎鼠发育有一定保健作用,尤其对骨骼发育的影响较大,为今后复方枸杞子口服液的药效学研究奠定了基础。本实验不足之处在于由于胎鼠出生率低,实验结果有待于进一步的实验证实。 参考文献: [1]汪建龙.枸杞多糖药理作用的研究进展[J].时珍国医 国药,2005,16(10):1032-1033. [2]张庆.大枣多糖体外抗补体活性剂促进小鼠脾细胞的 增殖作用[J].中药药理与临床,1998,14(5):19-22. [3]保健食品检验与评价技术规范[S].国家食品药品监督 管理局,2003. [4]陈平雁.SPSS13.0统计学软件应用教程[M].北京:人 民卫生出版社,2005:255-269. 使用诱导性多能干细胞(i PS c ells)修复心脏 梅约临床和医疗中心(Mayo Clinic)研究人员进行的一项概念验证研究显示,诱导性多能干细胞(iPS cells)可用于心脏病治疗。诱导性多能干细胞是被重新编程从而进入一个类似胚胎干细胞状态的成年细胞。在该项研究中,研究人员对普通的成纤维细胞进行重新编程,有助于结痂的细胞(譬如那些因心脏病发作产生的细胞)转化为干细胞,修复因心肌梗死造成的心脏损伤。 该项研究结果于2009年7月20日提前发表于Circulation杂志在线版。 论文第一作者Ti mothy Nelson博士指出:“这项研究发掘了在心脏治疗中使用诱导性多能干细胞的真正潜力,使生物工程成纤维细胞获得修复和再生梗死心脏的能力。” 这是基于诱导性多能干细胞的技术首次用于心脏疗法。在此之前,诱导性多能干细胞仅用于帕金森氏症、镰状细胞性贫血和甲型血友病3种疾病模型,最终目标是使用诱导性多能干细胞修复损伤。在此过程中使用患者自身的细胞,避免了排斥反应的风险及抗排斥药物进行维持治疗的需要。该再生医学策略将有助于缓解受限于捐赠者短缺的器官移植需求。 论文通讯作者Andre Terzic博士指出:“这项诱导性多能干细胞创新性研究为转化应用奠定了基础。借助于核编程方面的进展,我们将能逆转成年细胞,在心血管再生医学中实现按需定制。” 该研究团队通过“干性相关”人类基因集(“stemness2related”human gene set)对成纤维细胞进行遗传重编程,使其反分化成诱导性多能干细胞,进而重新分化为新的心肌细胞。移植入受损的小鼠心脏后,诱导性多能干细胞在2周后实现嫁接,4周后明显有助于改善受损心脏结构和功能。相比之下,普通成纤维细胞则无此功效。 与非工程化成纤维细胞相比,诱导性多能干细胞能够恢复心脏病发作后缺失的心肌功能,阻止受损心脏功能损伤进程,并在心脏受损部位再生组织。 (C irculation,2009:published online before p rint,July20,2009) 883广东药学院学报 第25卷
关于诱导多功能干细胞的介绍和思考
关于诱导多功能干细胞的介绍和思考 ——2012年诺贝尔生理学或医学奖解读班级：生物技术基地姓名：林立梅学号：0131122635 【摘要】John B. Gurdon和Shinya Yamanaka获得2012年诺贝尔生理学或医学奖，他们的相继研究成果证明，成熟、分化的细胞可以被重新组装或诱导重新编程，变成未成熟的干细胞，能够发育成机体内所有种类的组织。 【关键字】重新编程干细胞诱导定向分化临床医学 【内容】 （一）两位科学家的实验概述 （1）约翰.格登：用“细胞核重编程”克隆出新动物 所谓“细胞核重编程”，就是将已经分化了的成年体细胞进行诱导，让其重新回到发育早期多能性干细胞状态，重新获得发育成各种类型细胞的能力。通俗一点讲，就是在细胞层面实现“返老还童”。 1962年，格登做了一个划时代的实验：他假设：这些细胞的基因组仍然包含着驱动它发育成机体所有不同类型的细胞所需的信息。并进行相关实验，将非洲爪蟾（Xenopus，一种蛙）卵细胞内不成熟的细胞核移除，然后把非洲爪蟾的成熟肠细胞的细胞核注入其中。在此过程中，他采用核标记技术（Elsdale et al，1960），将标记的供体细胞核移植到未标记的受体卵。在实验中，控制由囊胚或原肠胚（简称胚胎细胞核）穿插与转让肠细胞核。移植的胚胎中，所有那些超出了囊胚期的细胞中包含明显的被标记的核，可以证明它们来源于核移植而不是从卵核。核标记只出现在渡过了囊胚期胚胎中。整个实验的目的很简单，就是想看看这个卵子最终会变成什么。结果发现，一部分卵依然可以发育成蝌蚪；其中的一部分蝌蚪，可以继续发育成为爪蟾。 (2)山中伸弥：用基因技术制造出“诱导多能干细胞” 2006年Shinya Yamanaka教授从数据库中筛选出大约100个有可能在ES细胞中特别活跃的基因。再经过近4年的紧张工作，从这100个基因中筛选出24个活跃
人类诱导性多能干细胞技术指导手册
人类诱导性多能干细胞（iPS细胞） 技术指导手册 目录： 1. 前言 (1) 2. 人类胚胎成纤维细胞培养 (2) 3. 重编程载体构建 (3) 4.病毒包装 (4) 5.人类iPS细胞的诱导 (6) 6. iPS细胞鉴定 (8) 6.1碱性磷酸酶活性检测 (8) 6.2干细胞表面marker的免疫染色检测 (9) 6.3干性因子的去甲基化程度分析 (10) 6.4干细胞内源基因的表达分析 (13) 6.5端粒酶活性检测 (14) 6.6核型检测 (15) 6.7拟胚体形成 (15) 6.8畸胎瘤形成实验 (15) 7．干细胞技术培训及服务一览表 (15) 8．附录 (16) 1. 前言 iPS细胞最初从成纤维细胞重编程而来，因为它们准备和操作相对简单。其他细胞类型，包括来自外胚层、中胚层和内胚层的细胞也可以用于产生iPS细胞（Eminili et al 2008）。2006年Y amanaka 和Takahashi利用逆转录病毒系统在成鼠的成纤维细胞导入四个转录因子（Oct3/4,Sox2,c-Myc, 和Klf4，Y amanaka 因子），将其重编程为iPS细胞，它具有跟小鼠ES十分相似的特性，尤其重要的是，iPS细胞也能产生后代。2007年，iPS技术在人类体细胞中得以应用，人类iPS 细胞的产生对退行性疾病的治疗产生巨大的影响（Takahashi et al ;Yu et al, 2007）。由于iPS细胞具有和ES类似的功能，却绕开了胚胎干细胞研究一直面临的伦理和法律等诸多瓶颈，因此在医疗领域的应用前景非常广阔，成为干细胞研究的热点，《自然》和《科学》杂志分别将其评为2007年第一和第二大科学进展。随后，
纳米光电子技术的发展及应用
纳米光电子技术的发展及应用 摘要:纳米技术（nanotechnology）是用单个原子、分子制造物质的科学技术，研究结构尺寸在0.1至100纳米范围内材料的性质和应用。纳米科学技术是以许多现代先进科学技术为基础的科学技术，它是现代科学和现代技术结合的产物,由纳米技术而产生一些先进交叉学科技术，本文主要讲述的纳米光电子技术就是纳米技术与光电技术的结合的一个实例，随着纳米技术的不断成熟和光电子技术的不断发展，两者的结合而产生的纳米光电子器件也在不断的发展,其应用也在不断扩大。 关键词：纳米技术纳米光电子技术纳米光电子器件应用 一、前言 纳米材料与技术是20世纪80年代末才逐步发展起来的前沿性，交叉性的学科领域，为21世纪三大高新科技之一。而如今，纳米技术给各行各业带来了崭新的活力甚至变革性的发展，该性能的纳米产品也已经走进我们的日常生活，成为公众视线中的焦点。[2 纳米技术的概念由已故美国著名物理学家理查德。费因曼提出，而不同领域对纳米技术的看法大相径庭，就目前发展现状而言大体分为三种：第一种，是美国科学家德雷克斯勒博士提出的分子纳米技术。而根据这一概念，可以制造出任何种类的分子结构；第二种概念把纳
米技术定位为微加工技术的极限，也就是通过纳米技术精度的“加工”来人工形成纳米大小的结构的技术；第三种概念是从生物角度出发而提出的，而在生物细胞和生物膜内就存在纳米级的结构 二、纳米技术及其发展史 1993年，第一届国际纳米技术大会(INTC)在美国召开，将纳米技术划分为6大分支：纳米物理学、纳米生物学、纳米化学、纳米电子学、纳米加工技术和纳米计量学，促进了纳米技术的发展。由于该技术的特殊性，神奇性和广泛性，吸引了世界各国的许多优秀科学家纷纷为之努力研究。纳米技术一般指纳米级(0.1一100nm)的材料、设计、制造，测量、控制和产品的技术。纳米技术主要包括：纳米级测量技术：纳米级表层物理力学性能的检测技术：纳米级加工技术；纳米粒子的制备技术；纳米材料；纳米生物学技术；纳米组装技术等。其中纳米技术主要为以下四个方面 1、纳米材料：当物质到纳米尺度以后，大约是在0.1—100纳米这个范围空间，物质的性能就会发生突变，出现特殊性能。这种既具不同于原来组成的原子、分子，也不同于宏观的物质的特殊性能构成的材料，即为纳米材料。 2、纳米动力学：主要是微机械和微电机，或总称为微型电动机械系统（MEMS),用于有传动机械的微型传感器和执行器、光纤通讯系统，特种电子设备、医疗和诊断仪器等. 3、纳米生物学和纳米药物学：如在云母表面用纳米微粒度的胶体金固定dna的粒子，在二氧化硅表面的叉指形电极做生物分
中标基金标书-非整合人诱导性多能干细胞(iPS)及相关技术用于β地中海贫血治疗的研究-973
项目名称：非整合人诱导性多能干细胞（iPS）及相 关技术用于β地中海贫血治疗的研究首席科学家：潘光锦中国科学院广州生物医药与健 康研究院 起止年限：2012.1至2016.8 依托部门：中国科学院
一、关键科学问题及研究内容 1、安全高效，具有临床实用性的非整合iPS新技术的优化及建立。 安全高效获得非病毒非整合iPSC的新技术 建立综合的诱导系统获得非病毒非整合的iPSC：利用mRNA及microRNA诱导体细胞获得iPSC，筛选能够加速iPSC重编程的小分子化合物及蛋白；筛选高效的iPSC诱导培养液。在此基础上，建立综合的诱导系统获得非病毒非整合的iPSC。 iPSC的鉴定：核型、基因表达、体外分化能力、体内多能性检测等多方面检测iPSC是否符合干细胞的标准；分子水平检测外源基因的插入；测序分析iPSC 的基因组稳定性。 建立非病毒非整合小鼠ESC样的人类iPSC（ESC-like-iPSC） 筛选能够稳定培养ESC-like-iPSC的培养环境：通过传统的病毒诱导获得小鼠ESC样的人类iPSC（ESC-like-iPSC）；筛选小分子化合物稳定培养 ESC-like-iPSC；筛选mRNA及microRNA支持ESC-like-iPSC的自我更新； 建立非病毒非整合ESC-like-iPSC：开发诱导获得ESC-like-iPSC的诱导系统；在全基因组表达、小RNA表达等方面比较两种不同的iPSC的差异。 2、利用体外受精胚胎建立多株正常人及地贫病人的ES细胞系。对比地贫iPS及ES，评价iPS多能性，安全性等应用指标。 建立非整合β地中海贫血病人iPS细胞库，约含各突变类型β地中海贫血iPS 细胞株50～100株。 优化和完善建立人胚胎干细胞的技术体系，并在此基础上建立地贫胚胎干细胞库。本研究拟对现有的胚胎干细胞培养技术进行改进：利用不同发育阶段的IVF
纳米科学与技术的发展历史
纳米科学与技术的发展历史 物三李妍 1130060110 纳米科学与技术(简称纳米科技)是80年代后期发展起来的,面向21 世纪的综合交叉性 学科领域,是在纳米尺度上新科学概念和新技术产生的基础.它把介观体系物理、量子力学、混沌物理等为代表的现代科学和以扫描探针显微技术、超微细加工、计算机等为代表的高技术相结合, 在纳米尺度上(0.1nm到10nm之间)研究物质(包括原子、分子)的特性和相互 作用,以及利用原子、分子及物质在纳米尺度上表现出来的特性制造具有特定功能的产品,实现生产方式的飞跃。 历史背景 对于纳米科技的历史, 可以追溯到30多年前着名物理学家、诺贝尔奖获得者Richard Feynman于美国物理学会年会上的一次富有远见性的报告 . 1959 年他在《低部还有很大 空间》的演讲中提出:物理学的规律不排除用单个原子制造物品的可能。也就是说, 人类 能够用最小的机器制造更小的机器。直至达到分子或原子状态, 最后可以直接按意愿操纵原子并制造产品。他在这篇报告中幻想了在原子和分子水平上操纵和控制物质.他的设想 包括以下几点: (1)如何将大英百科全书的内容记录到一个大头针头部那么大的地方; (2) 计算机微型化; (3)重新排列原子.他提醒到, 人类如果有朝一日能按自己的主观意愿排列原子的话, 世界将会发生什么? (4) 微观世界里的原子.在这种尺度上的原子和在体块材 料中原子的行为表现不同.在原子水平上, 会出现新的相互作用力、新颖的性质以及千奇 百怪的效应. 就物理学家来说, 一个原子一个原子地构建物质并不违背物理学规律.这正 是关于纳米技术最早的构想。20 世纪70 年代, 科学家开始从不同角度提出有关纳米技术的构想。美国康奈尔大学Granqvist 和Buhrman 利用气相凝集的手段制备出纳米颗粒, 提出了纳米晶体材料的概念, 成为纳米材料的创始者。之后, 麻省理工学院教授德雷克斯勒积极提倡纳米科技的研究并成立了纳米科技研究小组。纳米科技的迅速发展是在20 世纪 80 年代末、90 年代初。1981 年发明了可以直接观察和操纵微观粒子的重要仪器——— 扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM), 为纳米科技的发展起到了积极的促进作用。1984 年德国学者格莱特把粒径6 nm 的金属粉末压成纳米块, 经研究其内部结构, 指出了它界面奇异结构和特异功能。1987 年, 美国实验室用同样的方法制备了纳米TiO2 多晶体。1990 年7月第一届国际纳米科学技术会议与第五届国际扫描隧道显微学会议在美国巴尔
诱导性多能干细胞技术的研究进展及其应用前景_吴翠玲
文章编号（Article ID）：1009－2137（2014）04－0883－06·专论·诱导性多能干细胞技术的研究进展及其应用前景 吴翠玲，张玉明* 南方医科大学南方医院小儿科，广东广州510515 摘要在分化的体细胞中表达转录因子可以诱导体细胞重编程，获得诱导性多能干细胞（induced pluripotent stem cells，iPS cells）。这些细胞具有不断的自我更新能力和多向分化潜能，这些细胞重编程领域的突破性研究进展，为细胞重编程机制、人类疾病发病机制的研究及发展新的治疗方法提供了一种强有力的工具。iPS细胞技术是当前干细胞研究领域的热点之一，近年来取得了迅猛的发展。最初，研究者利用逆转录病毒作为载体将4种转录因子导入小鼠成纤维细胞诱导其重编程。近年来，iPS细胞的诱导方法不断改进，包括使用不整合入宿主细胞基因组的病毒载体、非病毒载体或者用基因敲除的方法切除导入的外源基因，从而产生了更为安全的iPS细胞系，许多小分子化合物也被证实能显著提高重编程效率。iPS细胞在再生医学、疾病模型的建立及药物筛选等领域正逐渐显现出它巨大的应用价值。本文回顾过去几年iPS细胞技术的研究进展，包括诱导方法的改进、iPS细胞诱导效率的提高和安全性的提高，并探讨iPS细胞的临床应用前景及当前研究存在的问题。 关键词干细胞；诱导性多能干细胞；体细胞重编程；临床应用 中图分类号Ｒ329．28文献标识码A doi：10．7534/j．issn．1009-2137．2014．04．001 Progress and Potential Applications of Induced Pluripotent Stem Cell Technology———Editorial WU Cui-Ling，ZHANG Yu-Ming* Department of Pediatrics，Nanfang Hospital，Southern Medical University，Guangzhou510515，Guangdong Province，China *Corresponding Author：ZHANG Yu-Ming，Associate Professor，Tutor of Master Postgraduate．E-mail：yumingzhang1966@hotmail．com Abstract Differentiated somatic cells can be reprogrammed to a pluripotent state through ectopic expression of specific transcription factors．These reprogrammed cells，which were designated as induced pluripotent stem（iPS）cells，are detected to exhibit unlimited self-renewal capacity and pluripotency．This breakthrough in stem cell research provides a powerful and novel tool for the studies on pathogenesis of diseases，reprogramming mechanism and development of new therapies．For this reason，the iPSC technology has currently become one of the hot topics in stem cells research．Ｒecently，major progress in this field has been achieved：initially，researchers succeeded in inducing the reprogramming of mouse fibroblasts by retroviral transduction of four specific transcription factors；in succession，the accelerated development of iPSC technology by employing non-integrating viral vectors，non-viral vectors or removing the introduced foreign genes via gene knock-out has ensured the yields of much safer iPSC；meanwhile，some researches discoversed the proofs that a number of micromolecular compounds were potent in accelerating the cellular reprogramming．For a prospect，iPSC are highly promising for regenerative medicine，disease modeling and drug screening．In this review，the recent progress in the generation of iPSC，prospects of their possible clinical applications and problems in the iPSC research are summarized and discussed． Key words stem cell；induced pluripotent stem cell；reprogramming；clinical application J Exp Hematol2014；（4）：883－888 2006年，日本京都大学的山中伸弥研究小组［1］报道了关于诱导性多能干细胞的研究成果，引起了极大反响并迅速成为干细胞领域的研究热点。该研究小组从24个候选基因中筛选出4个与细胞多能性密切相关的转录因子，利用逆转录病毒载体将这4个转录因子（Oct3/4、Sox2、Klf4和c-Myc，以下简称OSKM）导入小鼠成纤维细胞内，使其重编程得到一种多潜能干细胞。这种细胞在形态学、生长特性、基因表达、畸胎瘤形成及嵌合体形成等方面都与胚胎干细胞非常相似，研究人员把这些细胞命名为诱导性多能干细胞。在iPS技术出现之前，实验研究的干细胞来源主要是从胚胎内细胞团直接分离得到 基金项目：广东省自然科学基金（S2011010003914）；国家自然科学基金（81270632）；广州市科技计划项目（2013j4100108） *通讯作者：张玉明，副教授，副主任医师，硕士研究生导师．E-mail：yumingzhang1966@hotmail．com 2014－02－08收稿；2014－04－23接受 · 388 · 中国实验血液学杂志Journal of Experimental Hematology2014；22（4）：883－888
诱导多能干细胞
诱导多能干细胞：过去，现在和未来 介绍 在2006年，我们发现，干细胞与胚胎干细胞相似的属性，可以同时引入四种基因（高桥和Yamanaka，2006年）从小鼠成纤维细胞产生。我们指定了这些细胞的iPS细胞。在2007年，我们报道了类似的方法适用于人类成纤维细胞，并通过因素引入了一把，人类iPS细胞可以生成（Takahashi等，2007）。就在同一天，詹姆斯·汤姆森的研究小组还报告了人类iPS细胞的生成，使用不同组合的因素（Yu等人，2007）。 合并三个科学流LED iPSCs的生产 像任何其他科学的进步，过去和现在的科学家在相关领域众多研究结果的基础上，建立了IPSC的技术。有三个主要的数据流的研究导致我们生产的iPS细胞（图1）。第一个数据流进行重新编程核移植。1962年，约翰·格登报道，他的实验室已经收到了成年青蛙肠细胞的细胞核（格登，1962）的未受精的卵子产生的蝌蚪。超过三十年后，伊恩·威尔莫特及其同事报道多莉诞生的第一只哺乳动物体细胞克隆产生的乳腺上皮细胞（威尔莫特等人，1997）。在这些成功的体细胞克隆显示出，即使是分化的细胞中含有的所有的发展所需要的整个生物体的遗传信息，而卵母细胞包含体细胞核重新编程的因素，可以。2001年，田田隆的研究小组发现，胚胎干细胞也含有因素，可以重编程体细胞（田田等人，2001）。第二个流是“大师”的转录因子的发现。在1987年，果蝇的转录因子，触角，异位表达时（Schneuwly等人，1987）表明，诱导形成的腿代替触角。在同一年，哺乳动物转录因子，调节因子MyoD ，显示转换成纤维细胞，成肌细胞（Davis等人，1987）。这些结果导致“主调节器，”一个给定的血统的命运决定和诱导的转录因子的概念。许多研究人员开始寻找各种谱系单主监管。尝试失败，也有少数例外（Yamanaka和布劳，2010）。 第三，同样重要的是，流是涉及胚胎干细胞的研究。自第一代在1981年小鼠胚胎干细胞（埃文斯和考夫曼，1981年，1981年，马丁），奥斯汀·史密斯和其他人已经建立了培养条件，使长期维持多能性（史密斯等人，1988）。维持小鼠胚胎干细胞的一个关键因素是白血病抑制因子（LIF ）。同样地，由于第一代的人胚胎干细胞（Thomson等人，1998年），碱性成纤维细胞生长因子（bFGF ）的最佳培养条件已经成立。 组合第一两个流的研究使我们假设，这是在卵母细胞或胚胎干细胞，体细胞重新编程到胚胎状态，设计实验，以确定该组合的多个因素的组合。使用信息所需要的文化多能干细胞的培养条件，我们就能够识别四个因素可以产生iPS细胞。 IPSC的技术成熟和理解 后不久，其他各组小鼠iPSCs的初次报告，概括了基于因子重编程的小鼠（Maherali等，2007年，Wernig等人，2007）和人类（Lowry等，2008年，公园等。2008B ）。iPS细胞技术的优点之一是它的简单性和重现性。许多实验室开始探索相关机制和修改程序。 尽管iPSCs的重复性，可以生成过程中的效率仍然很低，通常小于1 ％转成纤维细胞成为iPS细胞。最初这种低效率的提高iPS细胞的可能性，来自罕见的干或者未分化的细胞，成纤维细胞培养共存（山，2009A ）。然而，随后的研究表明，iPS细胞可以是来自于终末分化的淋巴细胞（罗等人，2009）和有丝分裂后的神经元（Kim等人，2011a的）。因此，大部分的，如果不是全部，体细胞有可能成为iPS细胞，尽管有不同的效率。 怎能只是一小部分因素诱导体细胞重编程？这是超出了本文的范围，提供一个概述的许多研究已经解决了这个重要的问题。从我的角度来看，许多科学家的共识似乎是重编程因子的启动重编程过程中有更多的不到1％的转染细胞，但该过程没有完成在大多数细胞中。知之甚少的随机事件似乎需要完全重新编程的地方（Hanna等人，2009年，山中伸弥，2009年a）。正如我在下面的讨论，培养条件似乎为动力，可以帮助促进全重编程功能。 最初的iPSCs可以使用逆转录病毒或慢病毒，这可能会造成插入突变，从而会带来风险转化
关于诱导性多能干细胞
诱导性多能干细胞 【关键词】干细胞; 细胞分化; 转录因子 诱导性多能干细胞（induced pluripotent stem cells, iPS）是通过基因转染技术(gene transfection)将某些转录因子导入动物或人的体细胞, 使体细胞直接重构成为胚胎干细胞（embryonic stem cell, ES）细胞样的多潜能细胞。iPS细胞不仅在细胞形态、生长特性、干细胞标志物表达等方面与ES细胞非常相似, 而且在DNA甲基化方式、基因表达谱、染色质状态、形成嵌合体动物等方面也与ES细胞几乎完全相同。iPS细胞的研究受到人们广泛的关注, 是目前细胞生物学和分子生物学领域的研究热点。iPS细胞技术诞生还不到2年, 却为干细胞的基础研究和临床疾病治疗研究带来了前所未有的希望, iPS细胞技术的出现使人们从ES细胞和治疗性克隆等激烈的伦理学争论中解脱出来。但是, 目前制备iPS细胞的方法在安全性方面还存在一定问题, 因此探索一种高效、安全的iPS细胞的制备方法显得十分必要。 1 iPS细胞的制备方法 2006年T akahashi等［1］研究小组利用分别携带Oct4、Sox2、Myc和Klf4转录因子的4种逆转录病毒载体感染小鼠胚胎成纤维细胞(mouse embryonic fibroblasts, MEFs), 经过G418药物筛选成功获得第1批iPS细胞。但是这批iPS细胞系中DNA甲基化的方式与自然存在的ES细胞不同, 而且这批iPS细胞不能形成畸胎瘤。Okita等［2］研究小组报道了第2批iPS细胞的产生。他们采用与制备首批iPS细胞相同的方法, 但是采用了不同的筛选基因。第2批iPS细胞系DNA甲基化的方式与自然存在的ES细胞的甲基化方式相同, 并且能形成畸胎瘤。2007年末, Takahashi和Yu等［3, 4］两研究小组分别在细胞和科学杂志上报道关于iPS研究里程碑的实验结果, 他们都成功获得了人的iPS细胞系。Yamanaka 采用与诱导小鼠iPS相同的方法, 成功将人成纤维细胞诱导成多干细胞。Thomson研究小组采用与Yamanaka不同的方法, 他们利用慢病毒载体运输Oct4、Sox2、Nanog和Lin28转录因子转染IMR90胚胎成纤维细胞, 并且成功地获得了人iPS细胞。2008年1月Nakagawa等［5］研究小组报道他们可以利用Oct4、Sox2和Klf4 3种转录因子将小鼠和人的成纤维细胞成功诱导出iPS细胞。Aoi等［6］研究小组将小鼠肝细胞和胃上皮细胞成功诱导为iPS。Stadtfeld等［7］实验小组利用Oct4、Sox2、c myc和Klf4 4种转录因子将胰岛细胞诱导为iPS细胞。 Hanna等［8］研究小组在细胞杂志上报道了他们将小鼠终末分化的B淋巴细胞诱导成iPS细胞的实验结果。他们采用类似于利用成纤维细胞制备iPS细胞的方法, 使用4种转录因子（Oct4、Sox2、c Myc和Klf4）及CCATT/增强子结合蛋白（C/EBPα）, 成功地将成熟B淋巴细胞诱导为iPS细胞。 Eminli等［9］研究小组利用逆转录病毒载体携带Oct4、Klf4和c Myc 3个转录因子将神经祖细胞诱导为iPS细胞, 之后Kim等［10］研究小组报道利用慢病毒载体携带Oct4和c Myc或Oct4与Klf4两种转录因子就可以将成人的神经干细胞诱导为iPS细胞。他们
诱导性多能干细胞的应用
诱导性多能干细胞的应用 2006年，日本医学家山中伸弥等将4个转录因子基因导入已分化的小鼠皮肤成纤维细胞，将其重编程为类似于胚胎干细胞的多能性干细胞，即诱导性多能干细(Induced pluripotent stem cells,iPS cells)。这项技术避免了干细胞研究领域的免疫排斥和伦理道德问题, 是生命科学领域的一次巨大革命。与胚胎干细胞一样, iPS 细胞能够长期增殖并维持高度未分化状态, 在体内可分化为3个胚层来源的所有细胞, 进而参与形成机体所有组织和器官。在体外, iPS 细胞可定向诱导分化出多种成熟细胞。因此, iPS 细胞在理论研究和临床应用等方面都极具应用价值。 iPS细胞与再生医学是目前研究的热点。如多项研究在人类血液疾病的小鼠模型中进行了iPS细胞应用的尝试，并取得了初步成功。Hanna等在人源化的镰刀型贫血病小鼠模型上获取成纤维细胞，诱导建立了iPS细胞系，然后通过同源重组的方法将病变基因修正，接着把遗传修饰后的iPS细胞定向分化为造血干细胞，导入小鼠体内，贫血症状明显改善，这是首次利用iPS细胞进行的人类疾病治疗研究。iPS技术在治疗神经系统疾病中显示了很大的用途。Werning等对已建立的小鼠iPS细胞进行体外诱导培养，可以将其诱导分化为神经前体细胞和多巴胺能神经元，并移植到患有帕金森病小鼠体内能减轻其症状。最近一项研究利用帕金森症患者的皮肤细胞培育出了iPS 细胞，并能将其分化为多巴胺神经元细胞，这是帕金森症患者大脑中所缺少的一种重要细胞。因此，其有望成为治疗帕金森症等神经系统疾病的一种方法。虽然iPS细胞技术在再生医疗领域的尝试与应用还远未成熟，但随着iPS细胞基础与临床研究的深入，iPS细胞必将开辟再生医学领域的新纪元。