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诺奖10年 | 约翰霍普金斯大学的诱导多能干细胞研究

2012 年诺贝尔生理学或医学奖由英国剑桥大学的 John B. Gurdon 和日本京都大学的 Shinya Yamanaka 共同授予,以表彰他们发现了如何将成体细胞转变成干细胞。Yamanaka 发现,仅在一个特殊细胞中打开四个基因,它就会变回一个可以成为体内任何类型细胞的基因。2012年到2022年诱导多能干细胞iPS细胞)获诺奖10年。

 

诺奖10年 | 约翰霍普金斯大学的诱导多能干细胞研究

图片:Johns Hopkins

 

由于 Yamanaka 发现了这些所谓的诱导多能干细胞,约翰霍普金斯大学细胞工程研究所、Kimmel 癌症中心和生物医学工程系的科学家在干细胞研究方面取得了长足的进步。

 

iPS细胞资源的价值——了解人类疾病

 

过去,对人体组织的研究仅限于肿瘤样本、患者活检或捐赠的尸体。某些组织,例如大脑中的组织,在 iPS 细胞出现之前几乎不可能用于研究。

 

现在,皮肤活检或血液样本可以从患者身上获取细胞来制造 iPS 细胞,这些细胞可以从身体的任何部位转化为组织,以便在实验室中研究各种疾病。约翰霍普金斯大学的研究人员正在使用 iPS 细胞来了解和开发神经退行性疾病和精神障碍的新疗法。

 

将皮肤细胞转化为脑细胞

 

研究人员从患有严重的早发性亨廷顿病 (HD) 的人身上生成 iPS 细胞,并将它们转化为神经元,就像那些受致命遗传性疾病影响的神经元一样。通过创建“培养皿中的 HD”,研究人员希望更好地了解导致 HD 患者的细胞失能和杀死的原因,并测试潜在药物疗法的效果。

 

通过创造“培养皿中的 HD”,研究人员表示,他们在努力更好地了解导致 HD 患者的细胞失能和杀死的原因以及测试潜在药物疗法对原本被锁定的细胞的影响方面迈出了重要的一步在大脑深处。

 

该研究发表在《细胞干细胞》杂志上,是亨廷顿病 iPSC 联盟的工作,该联盟包括来自巴尔的摩约翰霍普金斯大学医学院、洛杉矶 Cedars-Sinai 医学中心和加州大学欧文分校的科学家,以及其他六组。该联盟研究了其他几种 HD 细胞系和对照细胞系,以确保结果在不同实验室中具有一致性和可重复性。

 

参与这项研究的其他约翰霍普金斯大学研究人员包括:Sergey Akimov, Ph.D.; Nicolas Arbez, Ph.D.; Tarja Juopperi, D.V.M., Ph.D.; Tamara Ratovitski; Jason H. Chiang; Woon Roung Kim; Eka Chighladze, M.S., M.B.A.; Chun Zhong; Georgia Makri; Robert N. Cole; Russell L. Margolis, M.D.; and Guoli Ming, M.D., Ph.D.

 

研究人员将皮肤细胞转化为脑细胞,这是改善帕金森病治疗的有希望的途径

 

使用 iPS 细胞,研究人员已经生成了受帕金森病特异性损伤的人类神经元类型,并使用各种药物来阻止损伤。利用iPS技术让人类实现了“培养皿里的帕金森”可以提前寻找新药或更早使用旧药。

 

他们在实验室中对细胞进行的实验报告并发表在Science Translational Medicine杂志上,这可能会加快寻找治疗无法治愈的神经退行性疾病的新药,但他们说,这可能会导致他们回到更好的使用方法以前在临床试验中失败的药物。

 

诱导多能干细胞是经过基因重编程到其最原始状态的成体细胞。在适当的环境下,它们可以发育成人体 200 种细胞类型中的大部分或全部。

 

在实验室中,该科学家使用 iPS 细胞来制造多巴胺神经元,这些神经元在 PD 中首当其冲。60 岁左右,患有这种疾病的人通常会开始出现症状,包括颤抖(震颤)以及行走、运动和协调困难。在美国,据信至少有 500,000 人患有 PD,估计每年报告 50,000 例新病例。

 

约翰霍普金斯大学团队从精神分裂症患者身上制造干细胞

 

利用精神分裂症成人的皮肤细胞,研究人员创造了 iPS 细胞,用于筛选治疗主要精神疾病的药物,并可能提供有关疾病原因的线索。

 

约翰霍普金斯大学的研究人员利用患有精神分裂症和与主要精神疾病相关的基因突变的成年兄弟姐妹的皮肤细胞,使用一种新的和改进的“清洁”技术创造了诱导多能干细胞 (iPS 细胞)。

 

此前该团队在 Molecular Psychiatry发表的研究报告,证实建立了两个新的 iPS 细胞系,这些 iPS 细胞的基因名为 Disrupted In Schizophrenia 1 或 DISC1。细胞没有用来自病毒的外源 DNA 修改其原始遗传内容。

 

科学家们说,这两个新细胞系的干细胞可以被诱导成为神经元等脑细胞。由于它们具有 DISC1 突变,因此它们将在筛选治疗精神分裂症、双相情感障碍和重度抑郁症等主要精神疾病的药物方面发挥重要作用,并为这些疾病的病因提供线索。

 

研究中使用的皮肤活检样本来自一个美国家庭,该家庭在 25 年前首次报道有多名家庭成员患有精神分裂症。六年前,Margolis 及其同事进行的一项基因分析发现,DISC1 基因的突变在所有患有严重精神疾病的家庭成员中都很常见。两年前,Margolis 和神经生物学部主任 Christopher A. Ross 医学博士收集了皮肤样本并将其交付给 Ming 的团队,该团队迄今已成功将其中两个样本重新编程为新的 iPS细胞系。

 

开发 iPS 细胞疗法

 

研究人员正在开发 iPS 细胞作为替代受损细胞或在患有遗传疾病的人中重新引入健康基因拷贝的疗法。与其他治疗方法相比,iPS 细胞可能具有治疗优势,因为注射来自自己身体的 iPS 细胞而不是来自供体的细胞或组织的患者将不再需要担心移植排斥。几种疗法的开发正在进行中。

 

用干细胞纠正镰状细胞病

 

使用患者自己的干细胞,研究人员纠正了导致镰状细胞病 (SCD) 的基因改变,这是一种痛苦的、致残的遗传性血液疾病,主要影响非裔美国人。研究小组警告说,这项工作距离患者临床使用还有几年的时间,但应该为开发 SCD 和各种其他血液疾病的基因疗法提供工具。

 

将血细胞转化为“跳动”心脏细胞的通用无病毒方法

 

科学家们已经开发出更安全地将血细胞转化为跳动的心脏细胞的方法。这些 iPS 细胞衍生的心脏细胞可以在实验室中用于测试治疗心律失常和其他疾病的药物,最终,生物工程师希望开发出这些细胞的移植物,以植入患有心脏病的患者体内。

 

更安全的 iPS 细胞

 

尽管 iPS 细胞前景广阔,但约翰霍普金斯大学的科学家们仍对确保 iPS 细胞疗法的安全性持谨慎态度。研究人员不断致力于创造更安全的 iPS 细胞以及更有效的生成方式。

 

诱导多能干细胞安全吗?

约翰霍普金斯大学的研究人员开发出更安全的方法来制造诱导多能干细胞

 

约翰霍普金斯大学的研究人员解决了 iPS 细胞的潜在安全问题。

 

最初,科学家通过可能有害的病毒传递蛋白质——这项技术引起了极大的关注。以这种方式衍生的细胞在随后移植时已被证明会在小鼠体内引起肿瘤。

 

儿科肿瘤学助理教授、医学博士、医学博士 Elias Zambidis 说,现在,科学家们正在努力消除他们担心会导致致癌突变的步骤。他引用了最近的研究,该研究表明,通过使用更安全的方法运送蛋白质,从成体细胞中提取 iPSC 是可行的。

 

一种用于产生 iPSC 的前瞻性方法是使用所谓的蛋白质转导,该方法使用专门设计的蛋白质,无需病毒载体甚至 DNA 即可直接穿梭进入细胞。斯克里普斯研究所的科学家丁胜、周红艳等在Cell Stem Cell上发表的研究报告说,他和同事在没有使用有害病毒的情况下制造了小鼠 iPSC。

 

另外,研究人员发现了一种从少量血液样本中产生 iPS 细胞的更好方法。这种新方法避免使用可能产生可能导致肿瘤形成的 DNA 变化的外来病毒。

 

“这些 iPS 细胞比以前的技术制造的更安全,因为它们不涉及整合可能导致不受控制的癌细胞生长的外来病毒,”该大学医学副教授 Linzhao Cheng 博士说。血液科,约翰霍普金斯细胞工程研究所成员。“如果有一天 iPS 细胞被用作疗法,这一点很重要。”

 

研究人员使用大约少量人类成人血液或脐带血,在实验室中培养血细胞 8 到 9 天。研究人员随后将环状 DNA 转移到血细胞中,导入的基因在 14 天内开启,将血细胞转化为 iPS 细胞。

 

该研究小组通过测试它们像干细胞一样表现并分化成其他细胞类型(如骨骼、肌肉或神经细胞)的能力来验证从成熟血细胞向 iPS 细胞的转化。他们还检查了十几个 iPS 细胞系的 DNA,以确保没有 DNA 重排。

 

新方法也比传统使用皮肤细胞制造iPS细胞更有效。在皮肤活检后,皮肤细胞需要整整一个月才能生长出来,然后才能重新编程为 iPS 细胞,而血细胞只需要生长 8 或 9 天,与使用皮肤细胞所需的一个月相比,从血细胞重新编程 iPS 细胞所需的时间也缩短到了两周。

 

这种从血细胞中生成无整合人类 iPS 细胞的简单方法将加速它们在研究和未来临床应用中的应用。

 

来源:Johns Hopkins

 

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