干細胞是一類具有自我更新能力和多向分化潛能的細胞，被譽為“生命之源”或“萬用細胞”。根據(jù)分化潛能分類，可將干細胞分為全能干細胞、多能干細胞和單能干細胞。多能干細胞可無限增殖并分化成所有三個胚層的細胞，這兩種特性使得多能干細胞成為治療各種疾病的熱門選擇。目前正在研究兩種可用于臨床的人類多能干細胞：胚胎干細胞（ESCs）和誘導多能干細胞（iPSCs）。
 

圖1 使用多能干細胞的細胞療法臨床試驗[1]

IPSCs的發(fā)現(xiàn)為再生醫(yī)學領域做出了寶貴貢獻，為確定人類ESCs的真正潛力鋪平了道路。由于圍繞 ESCs 倫理問題的爭論仍在繼續(xù)，iPSCs 已被用于規(guī)避人類胚胎的破壞過程[2]，更廣泛應用于各類實驗研究。
 

圖2 iPSC 細胞生成過程

iPSC在心臟病中的應用

在發(fā)達國家和發(fā)展中國家，包括心血管疾病在內的非傳染性疾病已成為死亡的主要原因之一。基于 iPSCs 的疾病模型已被用于研究心臟通道疾病，包括遺傳性長 QT 綜合征 (LQTS)、擴張型心肌病 (DCM)、肥厚型心肌病 (HCM) 和家族性肺動脈高壓 (FPAH)等，圍繞 FPAH 的 iPSC 模型已經確定了 BMPR2 信號轉導的修飾導致內皮細胞粘附、遷移、存活和血管生成減少。iPSC 技術也在很大程度上可以促進臨床前藥物試驗和動物模型篩選，以克服人類和動物心肌細胞之間電生理特性的差異。研究表明，患者來源的 iPSC 對心臟毒性藥物表現(xiàn)出更高的敏感性，這可能是動作電位變化和心律失常的原因。

 

退行性疾病通常會經歷多個分化階段，使用 iPSC 模型，可以輕松識別這些轉化途徑。肌萎縮側索硬化癥 （ALS） 涉及脊髓和運動皮層神經元的丟失，導致癱瘓和死亡。帕金森病 （PD） 是一種常見的慢性進行性疾病，目前研究者已嘗試開發(fā)患者特異性體外 iPSC 模型以更好地了解疾病病因。研究致力于從零星的 PD 病例中產生 iPSC，這些病例已成功重編程來形成不含重編程因子的多巴胺能神經元。
 

血液疾病的治療需要來自骨髓或臍帶血的成熟紅細胞進行輸血，研究者調查了人類多能干細胞，考慮 iPSC 作為無限供應功能性紅細胞的替代來源的可能性。使用 iPSC 的優(yōu)勢在于它們能夠分化成任何細胞類型，并且可以無限期地維持細胞特性，從而成為細胞替代療法的潛在來源。

 

研究者還致力于開發(fā)血液惡性腫瘤的 iPSC 模型，包括骨髓增生異常綜合征 （MDS）、急性髓性白血病 （AML） 和骨髓增生性腫瘤 （MPN）。一項研究通過將突變分析與細胞編程相結合，從患者的骨髓和血液中生成不同的 iPSC 克隆，這些克隆代表不同的疾病階段以及疾病譜，包括易感性、低風險和高風險情況。

 

人類 iPSC 被評估為產生器官的潛在來源，這些器官可以克服短缺和排斥風險的障礙。研究已經探索了從人類 iPSC 生成三維血管化和肝臟器官的可能性。使用 iPSC 技術生成肝細胞樣細胞已被審查為從根本上有益于治療嚴重肝病、篩查藥物毒性、肝移植以及促進基礎研究。

 

iPSC 的產生用于模擬許多疾病的發(fā)病機制，其中引人注意的是在癌癥中的應用。傳統(tǒng)的癌細胞系可能會隨著時間的推移而失去原始腫瘤的特征，而 iPSC 模型有助于克服這些障礙。已確定的 iPSC 重編程策略可幫助癌細胞分化為目標細胞系，從而有助于研究癌癥進展的各個不同階段。從原發(fā)性腫瘤和癌細胞系中培育出的 iPSCs 是研究家族性癌癥綜合征早期基因改變的寶貴工具，對于了解疾病的發(fā)病機制至關重要。
 

JuLI™ Stage是一款能夠長時間放在培養(yǎng)箱內實時監(jiān)測細胞生長過程，同時進行記錄和分析的設備，可通過全自動XY軸進行位點自由選擇、多熒光通道成像、自動&手動對焦、圖像掃描、Z軸層掃等，實時監(jiān)控細胞變化。
 

圖3 JuLI™ Stage活細胞成像儀示意圖

加拿大麥吉爾大學蒙特利爾神經病學研究所研究團隊于2024年在iScience期刊發(fā)表一篇名為“Homozygous ALS-linked mutations in TARDBP/TDP-43 lead to hypoactivity and synaptic abnormalities in human iPSC-derived motor neurons”的文章[3]。在這篇文章中，研究人員主要探究突變運動神經元（MNs）的活動變化。

肌萎縮性脊髓側索硬化癥（ALS）是一種神經退行性疾病，其特征是大腦和脊髓中的MNs喪失運動功能，導致虛弱和癱瘓，通常在發(fā)病后兩到四年內致命。iPSC為疾病相關突變研究提供了新思路。利用 CRISPR-Cas9 技術優(yōu)勢，通過在對照（野生型）iPSC 株系的基因組中引入感興趣的突變來生成突變型 iPSC。研究團隊已經建立了完善的工作流程，用于 iPSCs 的質量控制、基因編輯和分化成多種細胞類型，包括 MNs。

研究者借助JuLI™ Stage活細胞成像儀延時記錄MNPC 分化為 MN 的整個周期過程。使用圖像拼接功能，在10x物鏡下共拍攝336個小時，來監(jiān)測記錄實驗過程中樣本變化過程。
 

圖4 iPSC 連續(xù)分化為神經上皮祖細胞 （NEP）、運動神經元祖細胞（MNPC）和運動神經元的結果圖

參考文獻：
[1]Yamanaka S. Pluripotent Stem Cell-Based Cell Therapy-Promise and Challenges. Cell Stem Cell. 2020 Oct 1;27(4):523-531.
[2]Aboul-Soud MAM, Alzahrani AJ, Mahmoud A. Induced Pluripotent Stem Cells (iPSCs)-Roles in Regenerative Therapies, Disease Modelling and Drug Screening. Cells. 2021 Sep 5;10(9):2319.
[3]Lépine S, Nauleau-Javaudin A, Deneault E, Chen CX, Abdian N, Franco-Flores AK, Haghi G, Castellanos-Montiel MJ, Maussion G, Chaineau M, Durcan TM. Homozygous ALS-linked mutations in TARDBP/TDP-43 lead to hypoactivity and synaptic abnormalities in human iPSC-derived motor neurons. iScience. 2024 Feb 9;27(3):109166.