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的發現為再生醫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，iPSCs 已被用于規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

在發達國家和發展中國家，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病機制，其中引人注意的是在癌癥中的應用。傳統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，對于了解疾病的發病機制至關重要。
 

JuLI™ Stage是一款能夠長時間放在培養箱內實時監測細胞生長過程，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，來監測記錄實驗過程中樣本變化過程。
 

圖4 iPSC 連續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.