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通讯作者：张哲源陕西省西安中学

【摘要】随着生物医学技术的不断发展,诱导多能干细胞（iPS）技术作为“崭露头角的新星”开始慢慢进入人们的视野。近十几年来,iPS
技术发展迅速 , 不断有新成果产生 , 大大推动了生物学和医学的发展。但目前有关 iPS 技术的研究更多还停留在理论或动物实验阶段 ,
且其他方面也存在着很多问题 , 该技术若想真正被应用于临床还有很长的路要走。本文从 iPS 技术的概念、原理出发 , 总结该技术的
发展及应用 , 将对 iPS 技术待解决的问题及未来发展方向予以分析 , 以推动该技术的临床应用 , 使之更好地造福人类。
【关键词】 iPS 技术细胞重编程胚胎干细胞

2007 年 11 月 , 美日两国科学家分别独立宣布成功研究
出将普通皮肤细胞转化为诱导性多能干细胞的方法 , 自此
iPS 技术研究迅猛发展 , 成果不断涌现。iPS 细胞作为一种胚
胎干细胞替代品 , 它不仅具有胚胎干细胞的相似功能，而且
巧妙地避免了胚胎干细胞研究所面临的许多问题，如伦理和
法律问题。它的出现无疑为国际干细胞项目的进一步研究扫
清了障碍 , 大大推动了相关医疗技术的发展。但在实际操作
中重编程细胞的成功率极低 , 例如 , 在山中伸弥对小鼠的实
验中 , 将小鼠体细胞重编程为诱导性多能性干细胞的成功率
仅为 0.01-0.1%。且在重编程过程中基因组插入的方法限制
了转录因子的使用 , 目标细胞基因组因为插入了外源基因 ,
因此目标细胞基因组面临突变风险 , 如何准确诱导 , 这是一
大挑战。此外还有一些重编程因子是致癌基因 , 在重编程过
程中仍具有潜在的致癌风险 , 所以在临床应用中如何防止细
胞癌变也是亟待解决的问题。
一、iPS 技术的原理和方法
诱导性多能干细胞技术 ( 简称 iPS 技术 ) 指将已分化细
胞重编程为一种重新获得干性的类似于胚胎干细胞形态的细
胞新兴技术，它使用病毒载体将特定转录因子转入诱导细胞
中进行重新编程，从而获得 iPSC, 使其再次获得多向分化及
自我更新的能力。
iPS 细胞生成主要依赖于诱导基因。例如，Oct-3/4 基因
家族和 Sox 基因家族的某些成员已被科学家鉴定为参与诱导
过程的关键转录调控因子 , 实验表明 , 在诱导过程中缺少它
们 , 诱导将无法进行。此外 , 如 KLF 家族成员 (KLF1,KLF2,
KLF4 和 KLF5），Myc 家族（c-myc，L-myc，N-myc），
Nanog 基因和 LIN28 基因也被科学家们证实为可以提高诱导
效率的因素。

如图 1 所示为猪成纤维细胞经病毒转染重编程为 iPS 细
胞过程 , 分别于第 0、2、3、4 天对细胞做了相应处理 , 在病毒转染重编程作用下 , 历经 15 天细胞形态逐步改变 , 脱分化形成 iPS 细胞。

图 2 所示为通过重编程简单的体细胞获得
iPS 小鼠的整个过程，经重编程因子的诱导，体细胞被重编
程为 iPS 细胞。将得到的 iPS 细胞注射到小鼠囊胚或者 4 倍
体囊胚中 , 后移植入母体子宫内 , 可获得嵌合体或 iPS 小鼠。
图 1 将猪体细胞重编程为 iPS 细胞过程 [1]
（猪的原代成纤维细胞在病毒转染前的形态 ;B. 在病毒
转染 6 天后猪成纤维细胞形态的改变 ;C. 病毒转染 13 天后形
成类 ES 型 iPS 细胞群 )

二、iPS 技术的发展
iPS 技术基于三项主要研究，即核转移引起的重编程，
初级调节因子和胚胎干细胞技术。科学家们结合了三项主流
研究，并假设体细胞重编程回到胚胎状态是卵母细胞和胚胎
干细胞中许多因素的组合，并且在此基础上成功验证了它们。
iPSC 的 4 个关键因子 , 分别是 Oct4、Sox2、Kif4 和 c-Myc。
山中伸弥研究团队于 2006 年首次合成 iPSC。他将几种
胚胎干细胞中尤其重要的基因 , 经逆转录病毒转染小鼠成纤
维细胞进行基因重编程 , 并对处理后所得的细胞进行阳性筛
选。实验中对诱导多能干细胞起关键作用的 4 个基因被成功
分离出 :Oct-3/4、SOX2、c-Myc 和 Klf4。目标细胞在 Fbx15+
细胞经抗性筛选后被分离出 , 所得 iPS 细胞系表明 , 与胚胎干细胞系初始模式相比 , 此种以成纤维细胞作为原料重编程
得到的诱导多能干细胞 DNA 甲基化出现错误 , 无法在发育胚
胎中形成可用嵌合体。
2007 年 6 月 , 有研究表明成纤维细胞可以被成功编码成
iPS 细胞 , 甚至形成可用的嵌合体。有学者将小鼠成纤维细
胞通过逆转录病毒重新激活内源性多能因子从而成功将其诱
导成 iPS 细胞系 , 但诱导过程中研究人员挑选了与之前不同
的标记基因 ( 胚胎干细胞中的重要基因 Nanog), 以取代 Fbx15
基因。实验人员对 DNA 甲基化模式和可用嵌合体的研究结
果表明 ,Nanog 基因也是决定细胞多能性的重要因素之一。
山中伸弥在当年 11 月成功将人体成纤维细胞诱导成多能干
细胞 , 他在实验中利用的 4 个关键基因是 OCT3/4、SOX2、
KLF4, 和 c-Myc。而同样成功地完成这个实验汤姆森团队使
用四个关键基因：OCT4，SOX2，NANOG 和 LIN28。其所使
用的转染载体是慢病毒。
2008 年 ,Meltonetal 发现使用组蛋白去乙酰化酶 (HDAC)
抑制剂丙戊酸相对于山中伸弥的传统转录因子方法可以
将重编程效率提高近 100 倍。研究人员表示，这种化合物
可以像转录因子 c-Myc 一样引起细胞信号通路。出自于
对 Sox2 基因的模仿才有了此种相同类型的补偿机制 ,2008
年 ,BIX-01294 抑制组蛋白甲基转移酶 (HMT) 被结合在质膜
上激活的钙离子通道以提高重编程效率。 [3]
2009 年，有学者证明利用药物样化合物可以代替重编程。
例如 , 利用纯化蛋白同样可将成体细胞重编程为胚胎样细胞 ,
这样同时也绕开了基因组的插入问题。他在实验中总结出
ALK5 抑制剂和 MEK 抑制剂两个化合物的组合使用可以使成
纤维细胞诱导分化为 iPS 细胞的过程更有效。同时，研究证
实胚胎干细胞特异 microRNA 分子的表达，也能以通过作用
下游的 c-Myc 基因的方式来提高多能干细胞诱导效率。[3]
但 Morrisey 研究小组通过对 microRNAs 在肺发育过程中的作
用的研究推测 microRNA 的使用有阻断山中伸弥发现的 4 个
转录因子的表达的可能。
三、iPS 技术的应用
3.1 诱导多能干细胞在治疗阿尔茨海默症中的应用
对于阿尔茨海默病这类神经退行性疾病 , 诱导多能干细
胞的诱导原材料来源更加稳定 , 在将其植入人体时不会产生
大的免疫排斥反应 , 且在使用过程中有效避免了伦理问题 ,
因此诱导多能干细胞代替其他干细胞移植技术治疗阿尔茨海
默病是更好的选择。在 iPS 技术应用对象上选取小鼠脑膜细
胞，因其分泌 iPS 技术关键因子 Sox2 的含量较高 , 更有利于
诱导进程。[4] 小鼠脑膜细胞衍生的 iPS 细胞对胚胎干细胞具
有相似的神经原性能力。
3.2 诱导多能干细胞在心血管疾病研究中的应用
诱导多能干细胞对心梗和心肌缺血后引发的损伤有修复
作用 , 但目前多集中于动物实验。例如，雷叶等人制备猪的
心肌损伤模型，将人源诱导的心肌细胞，内皮细胞和平滑肌
细胞注入猪的心脏。结果表明，这三种细胞除定植于猪心脏
外，还显著改善了猪心脏的功能，且无不良反应。
研究表明，iPSCs 来源的心肌细胞也可用于小分子，天
然产物和生物活性成分的药效学评估。Jung 及其团队研究发
现 , 能与 RYR2 的氨基酸末端相互作用的 Dantrolene，对源自 iPSC 的心律失常具有一定的缓解作用。[5] iPSCs 的药物筛
选模型还可以允许与疾病表型相关的人类细胞更早地参与活
性药物的筛选，从而可以更快速和更好地发现它们。药物不
良反应。在临床应用前使用患者 iPSC 分化的心肌细胞可以
提高靶向筛选的效率，有助于药物筛选。
3.3 诱导多能干细胞在疾病建模中的应用
科学家们可以运用诱导多能干细胞技术自由地任意获取
某特定组织的细胞类型 , 绕过人源组织和原代组织的依赖 ,
使其感染所要研究的病症 , 从而在培养皿中控制住疾病的发
展过程 , 对该病症的发病机制 , 及发展过程进行研究 , 提供新
的数据 ; 也可以在疾病模型上进行新型药物治疗并获取有效
的治疗结果数据，例如使用 iPSC 建立心血管疾病的病理模
型，首先将患者的体细胞（主要是皮肤衍生的成纤维细胞）
诱导入 iPSC; 然后，iPSCs 分化为心肌细胞，其具有患者的遗
传特征和对患者疾病表型的响应能力。用于疾病建模的 iPSC
方法的目的是使用这种细胞培养的疾病模型来筛选和鉴定新
药物，以有效治疗或预防疾病。例如，科学家已经成功建立
了脊髓性肌萎缩和家族性自主神经紊乱的可诱导多能干细胞
系，而这些诱导的多能干细胞系已经对该病的发病机制提供
了新的有效数据。
iPSCs 技术的出现为这些疾病的研究提供了一定的病理
学模型，加深了人们对这些疾病的认识，同时避免了科研工
作者对人源心肌组织和原代心肌细胞的依赖。
四、总结与思考
iPS 技术作为一种新兴技术 , 它的出现在医学史及生物
学史上均具有里程碑式的意义。但在该技术发展初期 , 它所
表现的低成功率 , 低制备效率及方法单一等问题阻碍了其发
展。随着科学家们的不懈努力 ,iPS 细胞的制取方法越来越多
样化 , 制取效率也在不断提高 ,iPS 技术所具有的优势日益凸
显。
事实证明，iPS 技术的发展前景是极为广阔的 , 这在临
床医学及疾病分析方面体现的尤为明显，例如治疗神经退行
性疾病，修复受损组织，进行有效疾病模型制作，该技术在
这些方面都体现出了极大的优势。它近乎完美的避开了诸多
道德伦理及法律问题 , 适用于多种细胞类型 , 对组织修复或
疾病治疗效果显著 , 大大推进了临床医学及生物学的进一步
发展。但其存在的低成功率 , 高致癌风险及如何准确诱导等
问题依然存在 , 依然亟待我们去解决。
对于 iPS 技术目前存在的问题，科学界尚未给出明确答
案，但个人认为 iPS 技术日后有所突破，可从以下几个角度
展开：
（1）对于制取 iPS 细胞时所处的微环境的研究。对影
响 iPS 细胞制取原因的研究 , 我们不应只停留在其内部 , 更
要去注意制取时所处的微环境对制取所得细胞的影响 , 从而
找出最适合 iPS 细胞制取的环境 , 以此提高制取的效率和制
取所得细胞的质量。可设置如下实验 : 选取表面光滑的 iPSC
培养平台和带有沟槽的 iPSC 培养平台 , 并设置不同的沟槽梯
度将猪成熟体细胞用作培养平台的原料，并通过逆转录病毒
转染进行重编程。实验时控制变量 , 选取相同光滑度的平台 ,
设置不同温度梯度 ; 或设定相同温度环境 , 用沟槽宽度梯度
来确定最佳制备条件 , 从而得出适宜 iPSC 培养的培养平台底表面形态与温度。
（2）对 iPS 技术实施细胞及目标所得细胞源类型进行
比对分析 , 寻找它们之间的共性特点与不同点 , 在技术具体
实施过程中刻意保护其共性点 , 而使其不同点向目标所得细
胞源类型趋同化。比如可以对猪成熟体细胞与猪的胚胎干细
胞或多能干细胞的显微物理结构进行对比 , 对二者细胞内所
含物质及物质组成进行对比 , 从而得出两种细胞的共性特点
与不同点。
（3）对 iPSC 培养制取时 , 要对其基本发生原理机制及
各阶段变化进行透彻了解。比如 , 在逆转录病毒通过转染对
猪成熟体细胞进行重编程的过程中 , 每 6 个小时对样本部分
进行观察 , 观察其物理显微结构 , 并分析其化学组成。最终
在培养制取完成后 , 将观察数据汇总 , 对数据进行处理 , 看细胞在重编程不同时期都发生了哪些变化 , 从而分析细胞重编
程的根本原理机制。
（4）当今人们尚未将 iPS 技术大规模进行临床应用 , 其
一个重要原因就是现今的 iPS 技术仍存在着制备效率低 , 使
用风险大等问题。在今后的科研工作中 , 我们不能只把眼光
放在该技术的进一步拓展上 , 而是更注重该技术的实用性 ,
在临床应用方面尽快进行技术优化改进。可以运用特定化学
分子导入等方法提高重编程效率 , 同时可以应用药物样化合
物等技术尽量避开致癌基因的导入 , 从而缩小使用风险。
iPS 技术的发展是极为迅速的 , 短短十几年实现了很多
技术突破 , 虽然该技术仍存在诸多问题 , 但我相信 , 随着科
技的进一步发展和科学家们不懈的努力 , 这些困难终将被克
服 ,iPS 技术也将会迎来更光明的未来 , 更好地为人类所用。

参看文献：
[1] 成德 , 雷蕾 , 卢智娟 , 李珍 , 王华岩 . 诱导多能干细胞 (iPS) 的诱导培养与鉴定 [J]. 生物工程学报 ,2010,26(04):421-430.
[2] 康岚 , 陈嘉瑜 , 高绍荣 . 中国细胞重编程和多能干细胞研究进展 [J]. 遗传 ,2018,40(10):825-840.
[3]iPS 技术的研究历程与应用盘点
[4] 刘晓峰 , 吴迪 , 吴岩 . 干细胞治疗阿尔茨海默病的现状及未来 [J]. 中国组织工程研究 ,2013,17(40):7132-7137.
[5] 刘天龙 , 刘晶 , 肖宁 , 刘小雷 , 陈敬洲 . 诱导多能干细胞 (IPSCs) 在心血管疾病研究中的应用 [J]. 中国分子心脏病学杂
志 ,2016,16(06):1937-1939.

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