文摘
干细胞是生命的基本构建块,为所有高等生物的起源和发展。成体干细胞的发现导致了持续的治疗和再生医学的革命和新的治疗方法的建议之前终端条件。造血干细胞移植的第一个例子是一个成功的干细胞疗法,被广泛用于治疗各种疾病,包括成人t细胞leukemia-lymphoma和多发性骨髓瘤。间充质干细胞的自体移植是越来越多地用于促进间充质组织的修复和其他人,包括肺和心脏,和用于治疗各种疾病,如中风、多发性硬化和糖尿病。也有增加其他成体干细胞的治疗潜力的兴趣如神经、乳腺,肠道,内耳,睾丸干细胞。诱导多能干细胞的发现导致了一种改进的理解底层的表观遗传钥匙的多能性和致癌作用。更深入的研究这些表观遗传差异和生理变化的影响将导致的设计更安全、更有针对性的治疗。
1。介绍
哺乳动物是复杂有机体的细胞的国际大都市。像一个大都市的各个组件,细胞的基本构建块有机体的所有组织和器官,从精致的建筑内耳的坚固的股骨。在摩天大楼像砖头,身份、角色,和每个单元的位置必须被小心地管理,以确保功能器官的发展。然而在建筑设计和建造,一些在每个多细胞生物砖可以调解自我更新和通常确认为干细胞(SCs)。ESCs胚胎SCs()是多能祖细胞,保留能力表单从三个生殖细胞层。这些细胞依靠一组转录因子调节基因所需的网络维护和扩散。这些转录因子的活动Sox2,Oct4,Nanog,Klf4最关键的是ESCs的维护(1- - - - - -3]。Sox2属于SRY-related HMB-box家庭和保持ESC诱导多能性Oct4表达式[4]。Oct4、Sox2 coexpression诱发二元复合物的形成,结合各自的增强剂元素积极自律(5]。Oct4还与各种袜转录因子,像Sox2 Sox4, Sox11, Sox15 coregulation的基因Fgf4、Lefty1 Fbx15 Utf1,和Nanog通过Oct-Sox增强剂(4,6- - - - - -11]。Nanog最初是一个同源框基因表达在2 - 8细胞期卵裂球和biallelically monoallelically表示只有在多能胚胎内细胞团的成熟(12]。因此monoallelicNanog表情似乎鼓励biallelic时分化Nanog表达维持多能性和早期胚胎发育的重要调节器。Klf4次助攻Oct4和Sox2包括在调节各种基因Lefty1表达,维持干细胞多能性,与分化和增殖11,13- - - - - -16]。进一步验证这些转录因子的重要性,实验表明,Sox2的过度表达,Oct4,Klf4可以启动重组成人细胞分化成吗Nanog表达诱导多能干细胞(万能)17]。
2。诱导多能干细胞
自从先锋实验,证明诱导的可能性则从2006年的鼠成纤维细胞通过逆转录病毒转导,则导致了越来越浓的兴趣的发现其他替代方法生产万能(18]。通过逆转录病毒和慢病毒载体转导是最早的方法生成万能(19- - - - - -21]。然而这些广泛使用协议的显著缺点是过程导致整合外源遗传物质,比如protooncogenes原癌基因,在转化细胞则可能增加肿瘤发生的风险在iPSC-based疗法和成人细胞万能的转换效率低(0.001 - -2%)22]。最近修改的信使rna可以重组成纤维细胞的转染效率高达4.4%的细胞则没有基因组DNA整合细胞外(23]。更多研究microrna的序列的识别也导致miR302/367集群,当结合慢病毒转导,证明了重组成纤维细胞细胞则(10%的效率24]。这些改进生成细胞则可能导致更高的系统吞吐量的发展获得干细胞更像是成人干细胞和ESCs。
利用万能干细胞疗法的设计和研究具有几个不同的ESCs优势。首先从万能干细胞来自患者,将会有一个减少的风险比ESCs同种异体或异种移植免疫排斥反应。此外,更容易从患者获得iPSC前体相比,难度和相关的伦理问题的ESCs的推导。最后万能epigenetically ESCs不同和留住倾向redifferentiate成原来的细胞类型(25]。iPSC表观遗传记忆可以被用来产生无法轻易获得的ESCs的特异性类型。
万能正常体细胞重编程的需要一个复杂的表观遗传转化。适当的设计完美的iPSC,必须更好地了解ESCs万能干细胞与表观遗传差异。最近的研究提供了洞察万能的表观遗传记忆,签名工件从亲代细胞的重编程过程限制万能干细胞分化并形成细胞从替代血统25,26]。这些iPSC表观遗传特征如CG的差异甲基化和组蛋白修饰附近发育控制基因传递给后代即使分化和可能影响iPSC-derived细胞的功能27]。此外,chromatin-modifying酶的作用也已被证明能够影响iPSC重组的有效性和对决定细胞命运至关重要28,29日]。因此剩余表观遗传的记忆则必须完全重置ESCs像之前他们可以分为真正的多能干细胞。一些分子和环境工具可以协助后生蚀变包括化合物如丁酸钠可修改H3K9乙酰化和CpG脱甲基的特定的启动子调控多种基因(Dppa5,Ddx43,Rcn3,Sp5)[30.),DNA甲基转移酶抑制剂(如丙戊酸,5-aza-cytidine)可设计为克服障碍抑制特定的甲基转移酶DNA甲基化改变(31日,32),抗氧化剂混合物(如Withania somnifera提取)和激酶抑制剂(例如,酪氨酸激酶抑制剂),可以抑制磷酸化的各种基因(33,34]。规范体外培养干细胞微环境也是必不可少的生成所需的表观遗传表达。由于不同文化条件下在不同的实验室,甚至类似的干细胞系可以表现出异质基因表达。更大的差异基因表达之间存在各种万能和ESCs行展览表观遗传差异即使在同样的条件下培养(35,36]。因此体外微环境的密切监管将是必要的适当的表观遗传控制和维持干细胞表观遗传同质性甚至不同氧含量就可以诱导表观遗传变化,促进重组和定向分化的细胞则(37,38]。然而尽管的表观遗传工具可用,更多的研究来识别和地图ESCs的表观遗传的基态将是至关重要的,适当的应用程序重置这些固有iPSC签名。
基因突变和固有的差异则和其他干细胞在体外培养的条件也必须评估之前就可以安全地用于医学治疗。尽管一些研究表明,干细胞的一个子集,如间充质干细胞能够保持遗传稳定性达6个月(39,40),最近的大规模研究表明遗传不稳定和过度的倾向protooncogenes培养干细胞由于文化的选择性压力条件和重组产生的后果则(41,42]。因此必须进行更多的研究来确定最佳的干细胞培养条件,以防止不受欢迎的基因缩写的发生。也基本开发重组协议生成基因稳定的万能。最后所有的干细胞的遗传完整性应验证之前用于治疗,从而降低患者的肿瘤发生的机会。
3所示。成人干细胞疗法
尽管理解干细胞分化和局限性iPSC重组,已经有一些进步在验证安全的成人干细胞为基础的治疗一些疾病。这个过程是很重要的,因为许多基因激活干细胞在诱导或被认为有用iPSC形成protooncogenes,这提出了一个可能性,干细胞为基础的治疗在患者可能增加患癌症的风险。例如,四个转录因子通常利用在iPSC重组Sox2,Oct4,Nanog,Klf4与致癌作用,增加癌症恶性肿瘤和肿瘤耐药和在许多癌症和癌症干细胞43- - - - - -51]。另外肿瘤抑制基因的失活p53表现出类似的效果通过鼓励iPSC形成在肿瘤发生的风险增加的费用和遗传不稳定(52]。
4所示。间充质干细胞
多项研究都是为了进行验证各种干细胞疗法的安全性和有效性。这些成功的研究利用成体干细胞从骨髓间充质干细胞(msc)等各种再生疗法的试验。这些细胞被称为msc由于其分化能力,形成不同的间充质细胞如骨头和软骨细胞(53]。msc形成一个令人惊讶的是异质的细胞群,msc的子集从骨髓中提取单独显示一个各种各样的细胞形态和抗原标记(54]。Human-marrow-derived MSC的第一个成功在自体干细胞疗法有很小的几率免疫排斥反应由于其固有的免疫调节特性(55]。此外,这些MSC移植不通常导致畸胎瘤形成时进行临床试验,相对安全的ESCs相比,则容易形成畸胎瘤(56]。在这样的一个研究中,41岁的病人从骨髓MSC移植联合修复检查肿瘤和感染症状之间的5和137个月,和未发现异常57]。MSC移植整形治疗的另一个研究涉及数百名患者在一段时间内的1 - 2年还认为,这些移植不太可能增加致癌的风险(58]。其他研究也表明,MSC移植是安全的和导致提高骨科疾病的预后59,60]。msc治疗心肌梗死的安全也被访问,和病人显示改善心血管预后[61年]。msc也被利用在器官发生肺重建。在一项研究中患者的msc及上皮细胞在生物反应器结合捐赠气管软骨形成功能性贪污,被成功地用于抢救病人肺功能没有免疫排斥反应(62年]。最近,改善组织工程方法减少贪污生成所需的时间从3个月到3个星期允许病人要求更为紧迫移植治疗(63年]。除了他们的骨头和软骨修复作用,其他MSC-based疗法也被为他们的安全评估和治疗各种不同程度的有效性条件包括中风、多发性硬化症、糖尿病、肾移植,在其他临床试验(64年- - - - - -68年]。
msc还可以提取脂肪和滑膜组织,周边血液、骨骼肌肉和新生儿组织像脐带69年]。脂肪组织是一个丰富的msc被用来刺激人类骨骼和软骨组织的再生,可以部分调解骨关节炎和骨坏死的影响70年]。脂肪msc的使用是有利的,因为他们很容易通过吸脂的脂肪组织提取是一种微创的手术和净化通过建立协议(71年,72年]。因此脂肪MSC可以被视为一个可行的干细胞的来源,如果病人无法接受骨髓MSC提取。也可以从滑液分离msc在人类和动物73年]。兔子初步探索性研究证明,治疗滑膜msc可以防止变性的椎间盘74年]。另外一些研究认为滑膜msc可能有更大的治疗效果相比,msc来自其他来源由于增加增殖的能力,区分,附加受损组织,加速愈合动物模型(75年- - - - - -77年]。也已取得一些进展体外组织工程结构加快移植滑膜msc (78年]。
而msc提取不同地区表现出相似的分化潜能和治疗效果,确实存在一些独特的特征。人类msc来源于骨髓细胞表达不同标记脂肪msc。例如,脂肪msc表达高水平的CD49d, CD34, CD54在骨髓msc表达高水平的CD106 [79年]。这些天然归航的差异和动员标记可以用于更有针对性的干细胞疗法。msc分化的潜力也各不相同。例如,虽然来源于msc chondrogenic更高的潜力,脂肪msc分化成心肌细胞更容易(80年,81年]。这些现象的更深入的研究将有助于揭示'干细胞分化的表观遗传监管者和导航,增加可用的工具来控制干细胞特异性,分化和增殖。需要进行进一步的临床试验进行验证治疗人类MSC-based治疗的有效性和安全性。
5。造血干细胞
造血干细胞(HSC)也被广泛运用于实验疗法与造血干细胞移植(HSCT)的开创性研究可以追溯到1950年代(82年]。肝星状细胞由一个惊人的多功能干细胞的异质群体共同拥有的潜力形成所有血细胞类型(83年]。肝星状细胞可以从骨髓细胞纯化等细胞具有不同的表达标记通过选择膜糖蛋白本来就和酪氨酸激酶受体c - kit (CD117)和缺乏终端分化标记(84年]。HSCT最常用于治疗各种血液和bone-marrow-related肿瘤如白血病和多发性骨髓瘤。回顾性分析586成人t细胞leukemia-lymphoma接受同种异体造血干细胞移植的患者显示HSC疗法是有效的改善这些患者的长期生存85年]。多发性骨髓瘤也被成功接受HSCT的组合,化疗和全身照射(自1986年以来86年,87年]。结合HSCT治疗的发展涉及新药lenalidomide一样,聚乙二醇脂质体阿霉素,地塞米松,bortezomib继续提高这些患者的无进展生存率和总体生存率88年- - - - - -91年]。然而虽然同种异体HSCT可以改善病人生存和癌症缓解通过诱导急性移植物抗肿瘤效应(GVT),这一过程仍知之甚少,可能涉及各种移植细胞类型包括T细胞、自然杀伤细胞、B细胞(92年,93年]。此外,尽管全部捐赠嵌合HSCT后可以减少癌症复发和恶化的风险,HSCT也伴随着一些负面影响包括移植物抗宿主病(GVHD)可能导致致命的并发症患者中(86年,92年]。HSCT患者慢性移植物抗宿主病也可能更容易受到二次肿瘤基底细胞皮肤癌等口腔鳞状细胞癌、肉瘤、腺癌(94年,95年]。
HSCT也被测试在其他实验疗法包括溶酶体储存疾病和其他代谢疾病如投手综合症和x连锁罹导致提高病人生存率(96年- - - - - -98年]。最近,涉及CCR5 HSCT纯合子的捐赠者也导致了第一个成功的治愈艾滋病毒和兴趣重燃的搜索治疗这种慢性疾病导致全世界3000万人死亡(99年]。总之,尽管最近的外科技术的进步和药物疗法导致改善HSCT存活率和疾病缓解的患者,潜在并发症相关HSCT患者限制其使用危及生命的疾病。因此,进一步的研究将是至关重要的,提高HSCT的安全性和有效性。特别是,更好的理解如何增强GVT的积极作用和负面影响分开像移植物抗宿主病可能导致目前治疗取得重大突破。
6。神经干细胞
神经干细胞(nsc)的治疗潜力也得到了相当大的兴趣。研究已经证明,NSC可以孤立于老鼠骨髓,纹状体,NSC行染色体数目稳定,也被从人类细胞则生成(One hundred.- - - - - -103年]。此外,nsc能够重组成万能Oct4过度生成其他细胞类型104年]。然而一些研究建议nsc可能倾向于culture-induced突变可能会限制他们的治疗效用105年,106年]。因此应进行更多的研究,确定合适的体外培养条件对维持NSC遗传和表观遗传的稳定性。由于这些限制,评价治疗效果的nsc主要表现在动物试验。其中的一些研究记录的有效性nsc对实验性自身免疫性脑脊髓炎缓解多发性硬化症的症状(运算单元)小鼠模型。这些研究表明,nsc能够进入中枢神经系统,形成脑细胞,促进神经保护,鼓励remyelination [107年- - - - - -110年]。仔细观察nsc在适应性免疫调节的作用还透露,nsc发布一个成形素(骨形成蛋白4)从而防止树突状细胞成熟,减少抗原T细胞的形成导致有限的神经保护小鼠模型在实验性自身免疫性脑脊髓炎(111年]。进一步的实验涉及移植NSC工程产生il - 10也展示了他们增强的潜力提高调解immune-suppressive效果相比单独NSC移植的进步实验性自身免疫性脑脊髓炎(112年]。
研究如何鼓励调解内源性nsc修复也得到了相当大的兴趣。nsc存在于特定的干细胞龛室管膜层等成年哺乳动物的迁移和分化形成功能性神经细胞在模型大鼠实验性自身免疫性脑脊髓炎113年,114年]。这些ependymal-derived nsc也可以分化形成支持细胞星形胶质细胞和少突胶质细胞(115年,116年]。内生NSC-based修复机制是由复杂的分子途径涉及形态因子、神经递质,生长因子、转录因子、细胞表面分子,和核孤儿受体(审查[117年])。未来微创再生疗法可能会寻求利用这种内生的来源存在诱导基因和药物直接基于一种改进的理解细胞迁移和分化的分子途径。nsc也被研究过的治疗效果在其他神经疾病如胎儿酒精谱系障碍和溶酶体储存疾病(118年,119年包含nsc,支架也可以鼓励从脊髓损伤恢复Wistar鼠(120年]。
7所示。其他成体干细胞
许多其他不同类别的天然干细胞已经被确认和追究他们的治疗潜力,包括乳腺干细胞,肠道干细胞,内耳干细胞,干细胞和睾丸。乳腺干细胞浓度可以丰富fluorescence-activated细胞CD31排序的小鼠乳腺细胞−、CD45−,Ter119−,本来就低,CD24+,要么CD49f高或CD29高(121年,122年]。这些多功能乳腺干细胞能形成功能性乳腺移植小鼠时,和人类乳腺干细胞已经被孤立,试图更好地理解致癌作用和癌症干细胞121年,123年]。肠道干细胞能够调节小肠功能的部分恢复肠切除术后(124年]。更多的研究来阐明分子途径调节这种再生机制可能导致小说的发展再生基因疗法改善肠道功能从短肠综合征患者。听力损失由于耳蜗毛细胞的缺失是另一个可以用干细胞治疗的疾病治疗。在寻找治愈,内耳干细胞已确定在背侧耳蜗管的上皮细胞和成年囊状的感觉上皮(125年,126年]。这些正在进行的研究指出,一个正在进行的听力恢复试图识别潜在的祖细胞和分子的监管机构,指导这个过程。睾丸干细胞移植已成功用于恢复小鼠的生育,猪,山羊动物模型和协助建立转基因动物(127年- - - - - -129年]。在这一领域进一步发展可能导致治疗的癌症患者保留生育不育是由于化疗和放射疗法的副作用。在这些研究的结论表明,同时确保成人干细胞疗法的安全仍然是一个关键问题,固有的再生能力可以利用成人干细胞水库增加现有的医学疗法的有效性。
8。结论
而干细胞医学领域正在迅速成熟,仍然存在许多潜在的干细胞疗法理论或限制成功在动物试验中可能没有直接翻译人类干细胞疗法安全。此外,一个显著的限制人体临床试验涉及干细胞疗法是,他们通常只涉及一小部分患者或进行了研究在短时间内的几年中可能不足以访问真正的致癌风险。因此结果可能并不准确推断来确定这些疗法的长期安全性和有效性在一个更大的人口。因此干细胞疗法应该继续只能作为最后的手段利用常规治疗失败后的或不可用,和接受这些疗法的患者的条件和响应应定期评估,以确保他们的安全。
同样重要的是要注意,许多目前利用干细胞治疗和临床试验对减轻疾病症状的影响有限。这是因为最新疗法只为了治疗疾病的一个方面。除了有限的能力诊断类似疾病症状的不同的根本原因和缺乏测试来识别复杂的患者个体差异导致应用程序的通用异构人口的病人治疗。因此更好的工具来确定每个病人的独特的遗传和表观遗传因素导致每个疾病症状越来越必不可少的定制的干细胞疗法的潜力最大化。此外组合疗法利用各种方法的集成,如干细胞移植,材料科学,基因治疗,发育生物学,药理学同时定位多个方面所需的每个疾病逐渐将开发下一代疗法。
一种改进的理解细胞内分子途径调控干细胞分化和新的方法来操作这些通路保持遗传稳定性产生期望的表观遗传修饰,和表型的变化也将基本保障未来干细胞疗法的安全性和效力。为了实现这一点,无数的遗传和表观遗传的变化似乎均匀干细胞数量必须进行更详细的研究,以及每个变化的影响分化,增殖,多能性必须量化。
最后一个完整的理解干细胞信号和细胞间通信的机制,如基质细胞衍生因子- 1 /科学家趋化因子receptor-4信号指导造血干细胞动员、必须阐明(130年]。阐明这些分子背后的语言通信的设计将使干细胞可以引导到特定的位置,规避潜在的免疫排斥反应,和与宿主细胞相互作用,加快组织修复。它也会导致更复杂的器官的组织工程改进,需要许多不同的细胞类型的精确定位功能正常。
结论可以看出,尽管许多开创性的发现改变了我们理解干细胞功能,无数的研究仍需要扩大边界的干细胞研究在干细胞的完整掌握操作可以达到最大疗效。