直接细胞重编程：它是什么以及它如何工作？

过去十年来，干细胞疗法的开发取得了巨大的进展，这些疗法依赖于干细胞分化方案以及直接细胞重编程技术。如今，ClinicalTrials.gov上注册的干细胞试验超过6,880项，近年来出版物数量急剧增加，这表明科学界的兴趣迅速增长。

然而，尽管干细胞前景广阔，但尚未发挥这种治疗潜力，而且这种失败的出现是由于仍需克服的各种技术挑战。

在本文中：

• 直接重编程的起源
• 全能、多能和多能
• iPS细胞：治疗潜力有限
• 自体多能干细胞的直接重编程
• 直接细胞重编程：体外与体内
• 自体重编程细胞比同种异体细胞更好
• 直接细胞重编程的未来：Fortuna Fix和Mogrify

直接重编程的起源

为了解释直接重编程，我们需要回到开头。

细胞是所有生物体的基本组成部分，人体由数万亿个细胞组成。它们为身体提供结构，从食物中吸收营养，将这些营养转化为能量，并执行专门的功能。这些功能由特定细胞中表达的基因决定。

体内的所有细胞都含有相同的基因（约22,000个），但只有某些基因在每个特定细胞中“表达”，从而产生决定该细胞功能的蛋白质。

一组不同的细胞一起工作以实现某种功能构成组织（例如，神经元-星形胶质细胞-少突胶质细胞协同工作构成神经元组织）。一组共同工作以实现身体功能的组织构成了一个器官（例如，大脑或脊髓）。最后，一组协调一致的器官重新组合成一个系统（例如，大脑和脊髓构成中枢神经系统）。

如果细胞构成组织、器官和系统，那么什么构成细胞呢？

发育阶段：全能、多能和专能细胞

在人类生命之初，当精子与卵子受精时， 全能细胞从受精卵中诞生。它们具有变成任何东西（胎盘和胚胎）的能力 ，并以这种形式存在直至16细胞阶段（即，在受精后的前几次细胞分裂内，直至受精后4天）。在全能性的这个阶段之后，随着细胞数量的增加，多能细胞出现。

多能细胞保留产生胚胎任何细胞的能力（胚胎干细胞是多能的），但失去了成为胎盘的能力。

受精后3周后，多能细胞开始将自身组织成3个胚层（外胚层、中胚层和内胚层），并逐渐分化为更明确的状态。自从山中伸弥能够将“成熟”成纤维细胞（皮肤细胞）重新编程为多能干细胞（诱导多能干细胞或 iPS 细胞）以来，多能干细胞引起了极大的关注。这项开创性工作使山中伸弥于2012年获得诺贝尔医学奖。

然而，由于iPS细胞的安全性较差，大多数科学研究人员放弃了iPS细胞作为候选治疗药物。（它们回到多能状态，除了所需的组织外，还会形成不需要的畸胎瘤，这是一种快速生长的肿瘤，含有所有三个胚层的细胞）。事实上，人们已经付出了巨大的努力来尝试将这些iPS细胞分化为安全且有效的治疗细胞候选物的多能干细胞。

多能干细胞是从三个胚层之一分化而来的特化干细胞，但仅限于特定谱系。每种类型的多能干细胞都会产生其谱系的特化体细胞：例如，神经干细胞是起源于外胚层胚层的多能干细胞，是唯一能够产生神经元、星形胶质细胞的多能干细胞和少突胶质细胞（以及神经元组织），并且不具有形成任何其他组织的能力。

iPS细胞：治疗潜力受到安全性、效力和成本的限制

iPS 细胞有望成为再生医学的福音。研究人员可以将人的皮肤、血液或其他细胞重新编程为 iPS 细胞，然后用它们来培养肝细胞、神经元或治疗疾病所需的任何细胞。这种个性化疗法将规避免疫排斥的风险，并回避使用胚胎和胎儿细胞的伦理问题。

不幸的是，现实却大不相同。事实证明，以可用于临床目的的规模生产自体iPS细胞衍生的多能干细胞是非常困难、耗时且昂贵的。唯一一项使用自体iPS细胞多能干细胞的临床试验因仅一人接受治疗而于2015年停止。当实验室准备治疗第二位试验参与者时，山中伸弥的团队在患者的iPS细胞和源自其的视网膜色素上皮 (RPE) 细胞中发现了两个小的基因变化。

没有证据表明这两种突变与肿瘤形成有关，但“为了安全起见”，试验被搁置。2016年6月，试验重新开始，但转为同种异体细胞，而不是自体细胞，大概是出于成本和时间效率以及安全性的考虑。因此，自发现iPS细胞10年后，iPS细胞不再被视为治疗细胞候选物的关键来源。它们已成为建模和研究人类疾病以及筛选药物的重要工具。

iPS细胞已成为实验室的主力——为研究提供无限量的曾经无法接触到的带有特定基因突变的人体组织。 

自体多能干细胞的直接重编程

如今，自体多能干细胞疗法被许多人视为再生和替换器官中受损、丢失或老化细胞的“圣杯”。骨髓和脂肪干细胞是替代骨、软骨和脂肪细胞的有效治疗性多能干细胞。然而，它们没有能力替换其他器官中的细胞，因为其他器官中的细胞来自其他谱系。

直接细胞重编程的独特设计使患者的细胞能够直接“跳转”到所选的专门多能干细胞，从而定制修复受损或患病器官所需的自体多能干细胞。

直接细胞重编程不是从患者细胞中制造多能干细胞并在较长时间内将其分化为多能干细胞，而是直接产生所选的特化多能干细胞，解决了与iPS相关的安全性、高成本和时间限制细胞。

简而言之，直接细胞重编程被定义为在体外（实验室）将体细胞重编程为其他细胞类型，而不需要中间多能状态。

直接细胞重编程的另一个术语是转分化，即一种分化细胞类型直接转化为另一种细胞类型。该过程不需要创建中间多能状态或祖细胞。

直接细胞重编程|体外与体内

直接细胞重编程的主要方法是根据  适应症或疾病（即神经系统疾病），将从可获取来源（血液、皮肤或骨髓）收获的体细胞体外重编程为选择的专门多能干细胞类型。用于治疗中枢神经系统疾病的干细胞、用于治疗心脏病的心脏干细胞等）。这种方法依赖于使用转录因子和染色质重塑剂来永久改变细胞的表达模式，将它们锁定在新的多能干细胞选择状态中。

这种方法最终临床成功的关键包括选择最相关的细胞亚型进行重编程，避免使用基因操作或病毒载体来改变基因表达模式，并实现稳定的重编程。

正在研究的第二种方法（化学诱导的直接重编程）依赖于在体内使用小分子  （直接在患者体内给药）来诱导细胞谱系重编程。这样的策略可能具有成本效益并且听起来很有吸引力。然而，将小分子药物全身注射到特定细胞/组织（而不影响其他细胞或身体部位）仍需要很多年的时间。

即使制药公司经过数十年的研究，靶向药物输送仍然是该行业的一个关键问题。因此， 在体内 ，这种方法会引起重大的安全问题，因为这些药物可能会产生广泛的影响（例如，将体内的许多或大部分细胞变成神经元）。

直接重编程的多能干细胞注定是谱系限制性干细胞，能够再生并生长其特定谱系的特定组织。

它们提供的“新种子”实际上可以重新生长目标受损的组织或器官。（这种独特的功能有时会与不具备此功能的多能干细胞相混淆，但多能干细胞也可以分化成一些不需要的细胞类型）。这种受限的能力还意味着正确类型的干细胞可以而且应该用于待治疗的特定组织或器官。例如，造血干细胞或间充质干细胞如果植入中枢神经系统，其再生能力有限且没有细胞替代能力，而神经干细胞是为此特定目的而进化的细胞。

人们普遍缺乏对这一特征的认识，导致了混乱，例如，间充质干细胞（MSC）已被植入许多不相关的组织（例如大脑）中，正如预期的那样，这导致了有限的有益效果。这种方法也可能是有害的，因为一名接受了这些 MSC 注射到眼睛中的患者实际上开始在她的眼睛内生长骨骼。

自体重编程细胞比同种异体细胞更好

对于任何干细胞来说，要正确、有效、永久地替换患者组织中的细胞，干细胞必须具有正确的谱系和自体 （患者自己的细胞在正确的器官或组织中），并且足够“年轻”才能被使用。能够胜任这份工作。到目前为止，这在干细胞领域还没有发生。唯一的例外是造血干细胞移植（骨髓移植），自20世纪60年代以来一直在进行造血干细胞移植，以支持白血病等血液疾病的治疗，这是可以使用同种异体干细胞的罕见例子。

该过程比细胞疗法更类似于完整的器官移植，因为在患者旧的造血系统被照射（杀死）后，整个造血系统被替换。在此过程中，通常会排斥同种异体移植物的白细胞也被杀死。

当然，这种对“天然”组织的照射不能用于大脑等组织。值得注意的是，即使是高度匹配的造血干细胞 (HSC) 移植，即使经过50多年的临床改进，这些手术的成功率也往往低于20%。相比之下， 自体 造血干细胞移植（来自脐带血）没有出现移植失败。尽管如此，不幸的是，造血干细胞移植的这种部分例外引起了人们对其他供体干细胞避免排斥的能力的困惑。

例如，人们认为，如果患者正在服用免疫抑制剂，或者如果特定类型的成体干细胞具有非常低的免疫特征（例如，与间充质干细胞）。现实情况是，尽管这些策略允许供体干细胞在患者体内存活一段时间而没有被患者的免疫系统完全检测到，但它们最终仍然被杀死。此外，任何免疫抑制疗法都会给患者带来严重的副作用。

随着人们对直接细胞重编程的机制、其专业制造以及自体谱系限制干细胞的重要性有了更多的了解，这些独特的多能干细胞有潜力推动再生医学进入世界各地的临床，并补充小分子药物、蛋白质、寡核苷酸和医疗器械，属于未来的医疗产品组合。对于患有一些最具挑战性的疾病和损伤的患者以及整个社会来说，这是个好消息，因为慢性病护理管理的成本正在崩溃。

直接细胞重编程的未来

直接细胞重编程的未来是什么？最有可能的是，它将为某些类型的干细胞疗法提供替代治疗方法。

最好的例子是Fortuna Fixa临床生物技术公司，该公司专门研究与帕金森病和脊髓损伤相关的细胞重编程。该公司已经开发出了两项卓越的技术：drNPC（一种自体直接重编程神经细胞）和RMx™（一种再生基质）。目前，Fortuna正在进行帕金森病和脊髓损伤的临床试验。

然而，他们并不是唯一一家准备彻底改变该领域的公司。私营生物技术公司Mogrify及其新任首席执行官 Darren M. Disley 博士已为新项目筹集了370万美元的总资金。

根据该公司的一份声明，Mogrify希望“确定转录因子（体外）或小分子（体内）的最佳组合，将任何成熟细胞类型转化为任何其他成熟细胞类型，而无需经过多能性过程”干细胞，甚至祖细胞状态。”

细胞重编程面临的挑战是巨大的，但在未来，帕金森氏症患者可以用他们的细胞产生的神经元来治愈，这是令人难以置信的。

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