干细胞整体研究水平将进入国际第一阵营

整理撰稿人：中科院上海生命科学信息中心人口健康与生物医药团队

徐萍（E-mail:xuping@sibs.ac.cn）、王玥、许丽

审稿专家：中科院动物所周琪研究员

干细胞是一类具有自我更新和分化能力的细胞，这一特性使其在人类疾病研究和治疗、组织器官构建、生殖等领域具有巨大的应用潜力。

1 国际研究现状与趋势

干细胞的巨大应用前景激发了全球科研人员的研究热情，截至2013年8月，SCI收录的干细胞领域论文总量已达24万篇①论文统计包括期刊论文和会议论文，研究内容主要围绕干细胞的获取与构建、干细胞调控机理研究以及干细胞应用等领域。

1.1 干细胞的获取技术

寻找稳定的干细胞来源，并建立干细胞系是开展干细胞相关研究的基础。除了发现并纯化不同组织中存在的成体干细胞外，胚胎干细胞（ESC）的获取技术一直是科研人员希望突破的领域，但由于伦理问题，无法获取大量的ESC供科研和临床应用。2011年[1]和2013年[2]的两项研究，均通过克隆技术，利用卵母细胞将成人体细胞重编程，克隆出ESC。这两项研究尽管仅为初步探索，但为ESC的研究提供了发展方向。

1.2 干细胞相关调控机理研究

干细胞自我更新、多能性维持、休眠与激活以及分化的调控机制仍是目前干细胞研究的主要内容。科研人员已经从基因、蛋白和表观遗传等多个角度对相关调控机制进行了探索，同时也利用高通量技术对干细胞相关的调控网络和功能特性进行了“批量”研究。2011年，国际干细胞计划（International Stem Cell Initiative）构建了全球最大规模人类ESC遗传变异图谱[3]；同年奥地利与美国科学家共同从全基因组水平上绘制了神经干细胞维持自我更新与分化之间平衡的基因调控网络图谱[4]；2012年11月，美国科学家又利用转录组学技术，绘制出首张干细胞（造血干细胞）发育基因表达谱[5]。

1.3 诱导多能干细胞（iPSC）技术

诱导多能干细胞（iPSC）技术自2006年诞生伊始便掀起了研究热潮，日本山中伸弥教授也因发明该项技术而于2012年获得诺贝尔奖。经过7年的发展，SCI收录iPSC论文总量已近3000篇，其中2012年发表论文数量近900篇②论文统计包括期刊论文和会议论文。近几年的研究揭示了iPSC诱导效率低等问题的机制，针对iPSC存在的基因缺陷，探索了不同诱导因子组合（包括非基因小分子物质）对iPSC重编程的影响，进而对iPSC诱导技术进行了优化，并改善了iPSC技术的安全性。2009年，中国科研人员首次证实iPSC具有和ESC相同的发育能力。2012年，美国科研人员绘制了iPSC重编程分子路线图[6]，为iPSC技术的未来发展奠定了基础。2013年，中国科研人员成功实现了仅利用小分子化合物诱导iPSC，并获得了正常的小鼠，这一成果避免了iPSC技术应用中的安全问题。

1.4 转分化技术

iPSC技术的兴起也催生了转分化技术的发展。近年来，科研人员对转分化机制进行了不断深入的探索，并对转分化技术进行了优化，逐步实现了谱系内、谱系间、体外和体内成体细胞间的转分化。2012年，德国科研人员实现了从成体细胞向成体干细胞的转分化[7]，是转分化技术的一项突破；美国和西班牙科学家还合作开发出一种称为“间接谱系转换”的转分化新技术[8]，将成体细胞诱导至一种可塑性的中间状态，随后再进行分化，该技术缩短或绕过iPSC技术中重编程至多能性的完整过程，从而减少了iPSC技术的一些弊端，同时也提供了一种相比直接转分化技术更加通用的技术。

1.5 干细胞应用研究

随着干细胞相关基础研究的深入，其应用进程不断向前推进。科研人员已在实验室验证了多种干细胞来源的体细胞在修复机体损伤中能够发挥正常功能。此外，大量临床试验开展，据不完全统计，全球开展的干细胞临床试验已近5000例③数据来源：美国ClinicalTrials.gov数据库，统计的临床试验包括正在开展的和已经完成的。一系列临床试验展现了良好的治疗效果，例如，全球唯一获得批准的胚胎干细胞临床试验在2013年再次证实对恢复患者视力有效[9]。

在iPSC领域中，已经建立起针对多种疾病的干细胞模型；世界首例iPSC疗法临床试验获得日本批准，用于治疗老年黄斑变性，同时日本也开始着手建立iPSC库，旨在为iPSC疗法提供细胞供应。

在利用干细胞构建组织、器官方面，国际上获得了大量的组织工程器官。2013年7月，日本科学家开发了一种培养器官的新方法，利用iPSC构建出能够发挥功能的立体结构肝脏，为再生医学提供一条全新的道路[10]。

2 国内研究现状及优势

SCI收录我国最早的干细胞论文发表于1981年，相比国际起步较晚，但发展迅速，至2012年，我国年度论文数量已经超过3000篇，仅次于美国，位居国际第2位。我国在干细胞调控机制、iPSC技术和转分化技术及干细胞应用研究等领域均获得了一系列国际领先的成果。尤其iPSC技术和转分化技术已跻身国际干细胞领域的领先行列。

在干细胞相关调控机制研究领域，我国拥有了良好的基础。我国科学家解释了ESC中5-甲基胞嘧啶去甲基化的机制[11]；对小鼠ESC早期谱系特化的机理进行了探索[12]；发现了多能干细胞向神经细胞分化的谱系特异性调控通路[13]。

iPSC是我国干细胞研究的优势领域之一。2007年，我国成为继日本和美国后第三个掌握iPSC技术的国家[14]。此后，又陆续建立了猕猴[15]和大鼠[16]的iPSC系；利用四倍体囊胚注射的方法获得了世界上第一只iPSC小鼠，证实了iPSC的全能性[17]；发现了间质上皮转化过程是体细胞重编程的主要分子机制[18]；发现维生素C能够显著提高重编程效率[19]；实现了将尿液细胞重编程为iPSC，为iPSC提供了“无尽”的来源[20]；探明了iPSC重编程过程中的“路障”[21]；利用小分子化合物替代经典的重编程基因，实现了小鼠体细胞的重编程，率先实现了各国科研人员一直探索的技术突破[22]。一系列突破性成果为我国在世界干细胞领域占据有利地位奠定了基础。

我国在转分化技术领域也处于国际领先水平，获得了一系列突破性科研成果。2011年5月，中科院的科研人员将小鼠成纤维细胞直接重编程为成熟的肝细胞样细胞，成为肝脏再生研究的里程碑[23]；2012年，中科院一个研究团队还将尿液细胞直接重编程为神经祖细胞[24]。2013年，中科院研究人员再次通过三维培养技术，将体细胞直接转分化为具有增殖和分化能力的神经干细胞[25]。

此外，我国在大动物模型构建方面具有独特的优势，国家重大科学研究计划和“973”计划对该领域进行布局，这也将推动我国在该领域的快速发展和产业化的实现。

在干细胞应用方面，我国已经开展的干细胞相关临床试验有165项④数据来源：美国ClinicalTrials.gov数据库，统计的临床试验包括正在开展的和已经完成的，主要用于糖尿病、肝脏疾病等的治疗。国内首个组织工程三类医疗新技术，组织工程软骨移植也于2010年实现了临床转化，至今已为多位患者解除了病痛。

与此同时，近期出台的一系列干细胞临床应用相关监管法规，将使干细胞领域发展更加有序。在国家各项政策支持下，随着研究的进一步加强，我国干细胞整体研究水平有望进入国际第一阵营。

1 Scott Noggle,Ho-Lim Fung,Athurva Gore et al.Human oocytes reprogram somatic cells to a pluripotent state.Nature,2011,478:70-75.

2 Masahito Tachibana,PaulaAmato,Michelle Sparman et al.Human Embryonic Stem Cells Derived by Somatic Cell Nuclear Transfer.Cell，2013,153（6）：1228-1238.

3 The International Stem Cell Initiative.Screening ethnically diverse human embryonic stem cells identifies a chromosome 20 minimal amplicon conferring growth advantage.Nature Biotechnology,2011,29:1132-1144.

4 Neumüller RA,Richter C,FischerAet al.Genome-wide analysis of self-renewal in Drosophila neural stem cells by transgenic RNAi.Cell Stem Cell,2011,8（5）：580-593.

5 Shannon McKinney-Freeman,Patrick Cahan,Hu Li et al.The Transcriptional Landscape of Hematopoietic Stem Cell Ontogeny.Cell Stem Cell,2012,11（5）：701-714.

6 James O’Malley,Stavroula Skylaki,KumikoAIwabuchi et al.High-resolution analysis with novel cell-surface markers identifies routes to iPS cells.Nature,2012,499:88-91.

7 Dong Wook Hansend email,Natalia Tapia,Andreas Hermann et al.Direct Reprogramming of Fibroblasts into Neural Stem Cells by Defined Factors.Cell Stem Cell,2012,10（4）：465-472.

8 Leo Kurian,Ignacio Sancho-Martinez,Emmanuel Nivet et al.Conversion of human fibroblasts to angioblast-like progenitor cells.Nature Methods,2013,10:77-83.

9 ACT Confirms Clinical Trial Participant Showed Improvement in Vision from 20/400 to 20/40 Following Treatment.ACT Press Releases.2013-5-16.

10 TakanoriTakebe,KeisukeSekine,Masahiro Enomura et al.Vascularized and functional human liver from an iPSC-derived organ bud transplant.Nature,2013-07-03（online）

11 Yu-Fei He,Bin-Zhong Li,Zheng Li et al.Tet-Mediated Formation of 5-Carboxylcytosine and Its Excision by TDG in Mammalian DNA.Science,2011,333（6047）：1303-1307.

12 Xiang Li,Lili Zhu,Acong Yang et al.Calcineurin-NFAT Signaling Critically Regulates Early Lineage Specification in Mouse Embryonic Stem Cells and Embryos.Cell Stem Cell,2011,8（1）：46-58.

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14 Dajiang Qin,Wen Li,Jin Zhang et al.Direct generation of ES-like cells from unmodified mouse embryonic fibroblasts by Oct4/Sox2/Myc/Klf4.Cell Research,2007,17:959-962.

15 Haisong Liu,Fangfang Zhu,Jun Yong et al.Generation of Induced Pluripotent Stem Cells fromAdult Rhesus Monkey Fibroblasts.Cell Stem Cell,2008,3（6）：587-890.

16 Jing Liao,Chun Cui,Siye Chen et al.Generation of Induced Pluripotent Stem Cell Lines fromAdult Rat Cells.Cell Stem Cell,2009,4（1）：11-15.

17 Xiao-yang Zhao,Wei Li,ZhuoLv et al.iPS cells produce viable mice through tetraploid complementation.Nature,2009,461:86-90.

18 Ronghui Li,Jialiang Liang,Su Ni et al.AMesenchymalto-Epithelial Transition Initiates and Is Required for the Nuclear Reprogramming of Mouse Fibroblasts.Cell Stem Cell,2010,7（1）：51-63.

19 MiguelAngel Esteban,Tao Wang,Baoming Qin et al.Vitamin C Enhances the Generation of Mouse and Human Induced Pluripotent Stem Cells.Cell Stem Cell,2009，6（1）：71-79.

20 Ting Zhou,Christina Benda,Sarah Dunzinger et al.Generation of human induced pluripotent stem cells from urine samples.Nature Protocols,2012,7:2080-2089.

21 Jiekai Chen,He Liu,Jing Liu et al.H3K9 methylation is a barrier during somatic cell reprogramming into iPSCs.Nature Genetics,2012,45:34-42.

22 PingpingHou,Yanqin Li,Xu Zhang et al.Pluripotent Stem Cells Induced from Mouse Somatic Cells by Small-Molecule Compounds.Science,2013,341(6146):651-654.

23 Pengyu Huang,Zhiying He,ShuyiJi et al.Induction of functional hepatocyte-like cells from mouse fibroblasts by defined factors.Nature 475,386-389.

24 Lihui Wang,Linli Wang,Wenhao Huang et al.Generation of integration-free neural progenitor cells from cells in human urine.Nature Methods,2012,10:84-89.

25 Guannan Sua,Yannan Zhaoa,Jianshu Wei et al.Direct conversion of fibroblasts into neural progenitor-like cells by forced growth into 3D spheres on low attachment surfaces.Biomaterials,2013,34（24）：5897-5906.