簡介誘導性全能幹細胞(iPSC)的發展與應用

責任編輯/何亨晨

核稿編輯/林翊庭


  幹細胞廣義來說,擁有能夠分化成其他種類細胞的潛力。在眾多具有幹性的細胞種類中,最古老的就是胚胎幹細胞,存在於囊胚時期的內細胞團中,可以分化成三個胚層中的所有細胞種類。而近幾年新興的iPSC跟胚胎幹細胞又有甚麼關係呢?讓我們在這裡介紹給你聽吧!

古老的幹細胞——胚胎幹細胞

胚胎幹細胞擁有最完整的分化能力,是因為有複雜的轉錄網絡維持幹細胞的多能性。其中最主要的轉錄因子有三個——Oct4、Sox2和Nanog。他們共同調控很多影響細胞成長發育的基因,構成幹細胞複雜的轉錄網絡,控制細胞週期,讓幹細胞可以持續自我更新,也抑制幹細胞分化,維持在多能性的狀態[1]。

解除限制的幹細胞——iPSC

  在2006年,日本山中伸彌教授首次發表了誘導富潛能性幹細胞(Induced Pluripotent Stem Cell, iPSC)研究成果,他們以老鼠的纖維母細胞作為研究對象,篩選出24個他們認為對於維持幹性相當重要的因子,以反轉錄病毒為載體將這些基因送入纖維母細胞中表現成轉錄因子。他們嘗試不同的排列組合和測試之後,發現Oct4、Sox2、c-Myc、Klf4這四個基因的組合,可以讓細胞「反分化」為幹細胞,這種經過人工調控形成的幹細胞就稱為誘導富潛能性幹細胞[2]。其中Oct4也是上段提到維持胚胎幹細胞多能性的轉錄因子之一哦!

  自此之後,iPSC這個研究領域爆炸式的在學術界發展,因為iPSC迴避了胚胎幹細胞面臨的倫理道德困境,大部分的學術機構都認可使用人類的iPSC作為研究,而iPSC的潛力也與胚胎幹細胞相似,因此iPSC很快的成為學術界幹細胞的主流。

「iPSC型」跟「胚胎幹細胞型」一樣嗎?

  目前許多實驗都證實iPSC可以做到胚胎幹細胞一樣的事情,但iPSC跟胚胎幹細胞的起源並不一樣:胚胎幹細胞是來自於囊胚的內細胞團,iPSC則是來自於已分化的細胞,這衍伸出許多細微的差異。首先,iPSC會出現「表觀記憶(Epigenetic Memory)」,因為經過一次分化後的細胞,DNA部分區域會被甲基化以調控不同基因的表現 [註1]。研究人員發現雖然iPSC具有幹性,卻留有前身細胞的DNA甲基化。這樣的現象一方面可以說是反分化不完全,另一方面也可以說這是iPSC的特性[3],或許某種前身的細胞形成的iPSC會更容易分化成一些胚胎幹細胞難以分化的細胞,像是:製造胰島素的胰臟β細胞[4]。除此之外,iPSC會保留一些前身細胞留下來的基因表現,包括小分子核糖核酸(microRNAs)[5]和長鏈非編碼核糖核酸(long noncoding RNAs)[6]。因此從小尺度來看,iPSC跟胚胎幹細胞仍然有所不同。

iPSC型還能長出心臟?

  近年來,有非常多人都期待iPSC能發展出人工心臟!但是過去的研究發現,經過誘導再分化後的心肌細胞存在許多問題。像是微觀的結構不完整,或是接收電位變化時的反應不正常,都使心臟功率大幅降低[7]。

  科學家為了解決這個問題,找出兩種解決方法,一種是藉由雷射架構出微小的3D鷹架模型,供iPSC分化的心肌細胞在其中生長。另一種是另一種是和心臟纖維母細胞、心臟上皮細胞用特定的比例一起生長,可以讓心肌細胞的微觀結構變得更完整,也增強心臟的收縮力量[8]。

然而,這些人工做出來的心臟仍然無法說是「成熟的心臟」,目前比較成功、可以進入臨床的是:利用iPSC分化的心肌細胞修補破損的心臟,在今年一月的時候,日本大阪大學的研究團隊首次進行了臨床試驗。說不定在不遠的將來,心臟或其他臟器、組織的複製可以真的實現。



看完這篇文章,你應該要知道:

  1. iPSC和胚胎幹細胞的差異

  2. iPSC應用及未來發展潛能

  3. iPSC目前待克服的障礙


Reference:

1. Yamanaka, S., Li, J., Kania, G., Elliott, S., Wersto, R. P., Van Eyk, J., Wobus, A. M., & Boheler, K. R. (2008). Pluripotency of embryonic stem cells. Cell and tissue research, 331(1), 5–22.


2. Takahashi, K., Tanabe, K., Ohnuki, M., Narita, M., Ichisaka, T., Tomoda, K., & Yamanaka, S. (2007). Induction of pluripotent stem cells from adult human fibroblasts by defined factors. Cell, 131(5), 861–872.


3. Puri, M. C., & Nagy, A. (2012). Concise review: Embryonic stem cells versus induced pluripotent stem cells: the game is on. Stem cells (Dayton, Ohio), 30(1), 10–14.


4. Bar-Nur, O., Russ, H. A., Efrat, S., & Benvenisty, N. (2011). Epigenetic memory and preferential lineage-specific differentiation in induced pluripotent stem cells derived from human pancreatic islet beta cells. Cell stem cell, 9(1), 17–23.


5. Wilson, K. D., Venkatasubrahmanyam, S., Jia, F., Sun, N., Butte, A. J., & Wu, J. C. (2009). MicroRNA profiling of human-induced pluripotent stem cells. Stem cells and development, 18(5), 749–758.


6. Loewer, S., Cabili, M. N., Guttman, M., Loh, Y. H., Thomas, K., Park, I. H., Garber, M., Curran, M., Onder, T., Agarwal, S., Manos, P. D., Datta, S., Lander, E. S., Schlaeger, T. M., Daley, G. Q., & Rinn, J. L. (2010). Large intergenic non-coding RNA-RoR modulates reprogramming of human induced pluripotent stem cells. Nature genetics, 42(12), 1113–1117.


7. Silbernagel, N., Körner, A., Balitzki, J., Jaggy, M., Bertels, S., Richter, B., Hippler, M., Hellwig, A., Hecker, M., Bastmeyer, M., & Ullrich, N. D. (2020). Shaping the heart: Structural and functional maturation of iPSC-cardiomyocytes in 3D-micro-scaffolds. Biomaterials, 227, 119551.


8. Giacomelli, E., Meraviglia, V., Campostrini, G., Cochrane, A., Cao, X., van Helden, R., Krotenberg Garcia, A., Mircea, M., Kostidis, S., Davis, R. P., van Meer, B. J., Jost, C. R., Koster, A. J., Mei, H., Míguez, D. G., Mulder, A. A., Ledesma-Terrón, M., Pompilio, G., Sala, L., Salvatori, D., … Mummery, C. L. (2020). Human-iPSC-Derived Cardiac Stromal Cells Enhance Maturation in 3D Cardiac Microtissues and Reveal Non-cardiomyocyte Contributions to Heart Disease. Cell stem cell, 26(6), 862–879.e11.




[註一] 這也是為甚麼我們身上的細胞都是同樣的DNA序列,卻可以分化成各式各樣不同種類的細胞。我們稱這種不改變DNA序列,而通過不同機制改變基因功能和細胞表現型的方式為「表觀遺傳學(Epigenetics)」。



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