从信息学的角度分析诱导性多潜能干细胞的研究现状

李海存 单连慧 钟华 黄家学 安新颖

干细胞与再生医学技术是生命科学领域的一个重要前沿分支，随着近年研究的深入发展，采用该技术策略治疗多种疾病已成为21世纪生物医药领域尤为重要的研究方向。在国家“十二五”科学与技术发展规划中，干细胞研究从发育与生殖医学中单列出来，跻身六大国家重大科学研究计划之一。重点支持细胞重编程及其调控机制研究，干细胞自我更新及多能性维持的机理及新物种多能干细胞的建系，干细胞的定向诱导分化及其调控机制研究，干细胞发育与微环境的相互作用，标志物的发掘、识别与示踪，干细胞临床应用基础研究，植物细胞全能性与器官发生等方面的研究[1]。这也为国内诱导性多潜能干细胞的研究发展提供了重大的机遇。

2007年，美国和日本科学家分别宣布独立发现将普通皮肤细胞转化为干细胞的方法，这样得到的干细胞称为诱导多功能干细胞（induced pluripotent stem cell，iPS)。iPS 细胞具有和胚胎干细胞类似的功能，却绕开了胚胎干细胞研究一直面临的伦理和法律等诸多障碍，因此在医疗领域的应用前景非常广阔[2]。2009年，Zhao等[3]在《Nature》发表文章，首次利用iPS细胞通过四倍体囊胚注射得到存活并具有繁殖能力的小鼠，从而在世界上第一次证明了iPS细胞的全能性[4]；Kang等[5]也独立成功培育出实验鼠。这两项成果对干细胞全能性的机理研究以及器官移植、药物筛选、基因治疗等临床应用研究有重要价值。

笔者从科研投入及产出、临床试验等多个角度对iPS细胞的研究现状进行了调研分析，系统把握iPS细胞研究的现状和发展趋势，为国家免疫学领域科研政策制定及学科重点发展方向提供参考依据。

资料与方法

一、数据来源

采用的文献数据来源于汤森路透集团的科学引文索引扩展版(SCIE)数据库和德温特创新索引（DII）数据库；项目数据来源于美国国立卫生研究院的RePORTER项目数据库；临床试验数据来自于Clinicaltrials数据库。

二、分析方法

iPS细胞研究领域检索词的制定参考Pubmed数据库医学主题词表中主题词、下位主题词和其入口词，利用这些词组成的关键词在SCIE等以上数据库文献标题中进行检索。

采用文献计量学方法和统计分析等信息分析方法，利用汤森路透集团的Thomson Data Analysis(TDA) 和 Microsoft Excel软件，对上述来源的数据从时间分布、国家地区分布、机构分布等方面进行了分析，以揭示目前国际iPS细胞研究领域的整体发展情况。

（一）科研投入分析

利用美国国立卫生研究院（national institutes of health, NIH）RePORTER 项目数据库[6]，检索iPS细胞相关项目，得到iPS细胞相关项目219个（表1）。从表中可以看出从2008年起，NIH资助的iPS细胞研究数量由4项增长到2010年的83项，资助金额由172万美元整涨到2010年的4295万美元，但随后2011年项目数量略微下降，为79项，但项目资助金额下降更为明显，为3053万美元，这可能是数据库更新不及时的原因。其中获NIH资助项目数在5项以上的机构情况见表2，哈佛大学、斯坦福大学、威斯康辛大学麦迪逊分校、约翰霍普金斯大学等机构获得项目数量都在10项以上，虽然戴维•格拉斯通研究所和国立心、肺、血液病研究所这两个机构获得资助项目数量少（仅为5项），但资助金额却大大高于项目数量第三的威斯康辛大学麦迪逊分校（项目数量为14项），可以看出这两个机构在iPS研究上实力不俗。

表1  2008至2011年iPS细胞研究领域获得NIH资助项目数及资助额度分布

表2  iPS细胞研究领域获得NIH资助的机构情况

通过筛选中国国家自然科学基金（national natural science foundation of china, NSFC）项目数据库，2008至2011年，共批准资助68项iPS细胞领域研究项目，总金额为2986.5万元（见注：检索时间为2012年2月15日,表3）。从表中可以看出，iPS 研究领域获得NSFC资助是从2008年开始，从2项迅速增长到2011年的27项。虽然项目数量增长较为迅速，但是资助额度却有所下滑。2009年获得资助项目虽然为17项，但100万以上的5个项目中有4项为2009年批准资助，分别为中国科学院动物研究所周琪负责的“核移植及iPS诱导体细胞重编程机制的研究”（200万元）、第二军医大学钱其军负责的“肝癌特异性诱导多能干细胞的建立及肝癌发病新机制的研究”（200万元）、北京大学邓宏魁负责的“建立诱导的多潜能干细胞（iPS）的分子机理研究”（200万元）和同济大学康九红负责的“诱导多能干细胞(iPS)形成中组蛋白修饰的功能及机制”（180万元）项目。

表3  2008至2011年iPS细胞研究领域获得NSFC资助项目数及资助额度分布

1.科研产出：通过检索SCIE和DII数据库，分别从论文和专利两方面分析iPS细胞相关研究产出现状。检索SCIE数据库，检索文献类型为研究论文（Article）和综述（Review），检索结果为722篇；检索DII专利数据库，检索结果为159件（检索时间是2012年2月15日）。

（二）时间分析

2006年，日本京都大学Yamanaka等[7]在《Cell》发表文章，宣布通过逆转录病毒将Oct4、Sox2、c-Myc、Klf4四个转录因子基因导入到小鼠胚胎成纤维细胞中，获得了与胚胎干细胞相似的细胞系，被称为iPS细胞。此后iPS细胞研究领域论文量呈爆发式增长，从2006年的1篇增加到2011年的331篇（图1）。由于专利申请到公开有18个月的时滞，因此2010年特别是2011年的数据不完整。虽然iPS细胞相关专利增长的数量和速度稍慢于论文，也是呈爆发式增长（图2）。因此可以预见今后几年内，iPS细胞研究领域的科研产出将继续保持高增长势头。

图1  2006至2011年iPS细胞论文总体情况

图2  2007至2011年基本专利年iPS细胞专利技术分布

（三）国家分析

对研究论文第一作者所在的国家进行分析，有二十多个国家开展了iPS细胞相关的研究，其中排名前10位的国家发表的论文占总论文数的91.14﹪（表4）。美国在该领域发表的论文数量排在第1位，共发表论文301篇，占该领域论文总量的41.69﹪，篇均被引频次为47.85，由此可见美国在领域内的强大实力。日本的发文量排第2位，发表论文数量为137篇，占该领域论文总量的18.98﹪，篇均被引频次排名第一，高达77.73，这与日本开创性地开辟iPS研究领域密不可分的。中国的发文量排在第3位，发表论文数量为78篇，占该领域论文总量的10.80﹪，但总被引频次为1172，导致篇均被引频次偏低，为15.03，中国在iPS细胞研究领域相关研究论文的质量有待提高。与论文国家排名情况类似，159件专利除5件为PCT专利外，优先权国分布情况见表5：美国专利份额与论文接近，日本和中国专利份额相应提高，分别提高了7.44和2.41个百分点。

表4 2006至2011年iPS细胞研究领域论文产出前10国家

表5 2006至2011年iPS细胞研究领域专利优先权国分布

（四）机构分析

对iPS细胞研究论文第一作者所在的机构（文献量10篇及以上）进行分析（表6）。从论文数量来看，论文量排名靠前的13个机构中，排在前五位的依次是：哈佛大学、京都大学、中国科学院、斯坦福大学、约翰霍普金斯大学。其中，美国机构7家，日本机构2家、中国、德国、西班牙和伊朗各1家。中国科学院发表论文21篇，其中广州生物医药与健康研究院11篇，上海生命科学研究院6篇，动物研究所4篇，篇均被引频次为28.10；美国和日本的机构不仅论文量高，篇均被引频次数更高，其中哈佛大学的篇均被引频次为111.03，京都大学高达259.58。iPS细胞专利量3件及以上机构有14个，如表7所示。其中美国和日本机构均为6个，中国机构有2个，分别是中国科学院和军事医学科学院。这14个机构中，3个为公司：日本尼康公司、美国的国际细胞动力学公司和iPierian公司。中国科学院的9件专利中，广州生物医药与健康研究院5件，上海生命科学研究院3件，中国科学院动物研究所1件。可见美国和日本在iPS细胞研究领域已经形成了占据主导地位的核心机构，对知识产权保护和产业转化也非常积极。

表6  2006至2011年iPS细胞研究领域论文产出机构情况

三、相关临床试验

在Clinicaltrials[8]的主题分类中，暂无iPS细胞的直接分类，故利用iPS相关关键词检索，经过筛选核对得到13项临床试验（截止2012年2月15日），全部未标明临床试验阶段（表8）。从表中可以看到，iPS相关临床试验注册最多的是2009年，有5项临床试验。发起方最多的是美国，共有8项，其他为以色列（4项）和伊朗（1项）。这些临床试验涉及酒精使用关联疾病、肌萎缩侧索硬化症、镰状细胞贫血神经退变性疾病、嗜血细胞性淋巴组织细胞增生症、创伤性脊髓损伤、孤独症、视网膜疾病、冠状动脉疾病等疾病。国际细胞动力学公司已经使用来自于人源iPS细胞的iCellTM心肌细胞，验证体外心脏毒性检测试剂盒的有效性，结果与动物模型心脏毒性研究数据相关性非常好[9]。斯克利普斯转化科学研究所即将开展的“应用诱导性多潜能干细胞评价心血管疾病显形”临床试验项目将iPS细胞更进一步应用到临床上来。

表7  2006至2011年iPS细胞研究领域专利机构分布情况

讨 论

iPS细胞不仅可用于定向分化和干细胞移植，还可以提供体外的疾病模型，以便于研究疾病的形成机制、新的治疗方法和筛选新药，但应用iPS细胞来治疗疾病是终极目标。应用文献计量学方法和网络调研等信息分析方法，对iPS细胞领域研究现状进行了分析。研究结果表明：（1） 2008年至2011年，美国NIH中国NSFC对iPS细胞领域研究资助力度持续加大，但中国资助的项目数量和额度上与美国还有一定的差距；（2）美国和日本在iPS细胞研究领域已经形成了占据主导地位的核心机构，相比之下，中国虽然在iPS细胞领域论文和专利总量均位居第三，但还没有形成诸如哈佛大学和京都大学等具有国际竞争力的核心科研机构；（3）美国和日本在对iPS细胞领域的知识产权保护和产业转化上非常积极，中国需要引导产业界积极参与，加快iPS细胞领域产品产业化。

表8  2007至2012年iPS细胞研究领域开展临床试验情况

1 中华人民共和国科学技术部.国家“十二五”科学与技术发展规划[EB/OL].http://www.most.gov.cn/kjgh/[2012-02-13].

2 秦彤,苗向阳.iPS细胞研究的新进展及应用[J].遗传,2010,32(12):1205-1214.

3  Zhao XY, Li W, Lv Z, et al. iPS cells produce viable mice through tetraploid complementation[J]. Nature.2009,461(7260):86-90.

4  Zhao XY, Li W, Lv Z, et al. Production of mice using iPS cells and tetraploid complementation[J]. Nat Protoc, 2010,5(5):963-71.

5  Kang L, Wang J, Zhang Y, et al.iPS Cells Can Support Full-Term Development of Tetraploid Blastocyst-Complemented Embryos[J].Cell Stem Cell, 2009,5(2): 135-138.

6  US National Institutes of Health.NIH research portfolio online reporting tools (RePORT) [EB/OL].http://projectreporter.nih.gov/reporter.cfm[2012-02-15].

7  Takahashi K, Yamanaka S.Induction of pluripotent stem cells from mouse embryonic and adult fibroblast cultures by defined factors[J].Cell, 2006,126(4):663-676.

8  US National Institutes of Health.Clinicaltrials.gov[EB/OL]. http://www.clinicaltrials.gov/[2012-2-15].

9  Cellular Dynamics International.Promega and cellular dynamics partner to validate stem cell-based in vitro assays for predicting drug-induced cardiotoxicity[EB/OL]. http://www.cellulardynamics.com/news/pr/2010_06_15.html.