iPSC在干细胞再生技术

孟先生

诱导多能干细胞(induced pluripotent stem cells, iPSCs)是对人体组织的细胞进行重新编程而得到的类似胚胎干细胞的一种细胞类型，具有超强的分化能力。iPSC在干细胞、表观遗传、生物医学等研究领域，以及细胞替代性治疗、新药筛选、神经系统疾病、心血管疾病等临床疾病治疗方面都具有巨大的潜在价值。

通过优化整个重编程的流程，利用无基因组整合的质粒电转法成功从外周血与冻存脐血中诱导出高质量iPS细胞。经过一系列研究，克服了冻存脐血细胞分离困难、重编程效率低，iPS细胞易分化等难题，成功从成人外周血以及液氮保存的脐带血细胞中高效、定向诱导培养出高质量的iPSC细胞。经鉴定，该技术诱导培养出的iPS细胞多能性标志物阳性占比均远高于行业标准。

随着iPS细胞在科研与临床应用的不断发展，其在再生医学领域的价值越来越高，也使得iPS细胞储存的前景更加广阔。血液来源的iPS细胞诱导技术的建立，将为基础研究、药物开发和个性化医疗提供新工具。

岁月不居，时节如流，2023年9月15日，山东省脐血库已走过三十年的发展历程，三十年的发展与沉淀，三十年的创新与突破，山东省脐血库正以蓬勃之力在健康产业之路上昂首前行。

山东省脐血库是经国家卫健委批准设立、验收合格的7家脐血库之一，也是山东省正规合法的脐带血保存机构，承载着山东区域内脐带血储存及全国范围内脐带血应用的重任。建库三十年以来，山东省脐血库始终牢记初心与使命，从脐带血采集、运输、入库、到出库应用，每一个环节都体现对脐带血质量的高要求，为千万家庭建立起了全周期质量保障体系，促进了医、学、研、产体系的不断创新和突破，坚定地走出了一条高质量发展之路。

储存生命火种

加筑健康屏障



三十年实干笃行，勇于突破。作为全国七家脐血库之一，山东省脐血库一直承担着山东省脐带血干细胞的采集保存、制备、科研以及临床输出工作。2000年1月1日，山东省脐血库成功储存了第一例脐带血，2023年，山东省脐血库储存量突破80万。每一份脐带血的存储，都是对生命的守护。

随着储存量的攀升，山东省脐血库的软硬件设施也在不断升级。目前，已建成脐带血制备GMP级车间以及数百万级库容量的自动管理低温储存库，总面积超过20000㎡，并配备3激光8色流式细胞仪、微滴式数字PCR、BD血培仪等一大批进口先进设备。此外，山东省脐血库通过实验室信息管理系统（LIMS），实现了以数据库为核心的信息化技术与实验室管理需求相结合。脐带血制备的56道工序，15项检测流程，均可追溯到具体的实验员及操作时间，全过程电子化流程记录，实现了全流程的可追溯性、可靠性与完整性。

为了让一份脐带血多次多人使用成为可能，山东省脐血库通过一系列的研发创新，五室冻存技术应运而生，为脐带血多次应用奠定了基础。脐带血五室冻存是山东省脐血库进行科技创新的一次新突破，它为更多家庭提供了更加多元化的健康需求服务，极大地延长并扩展了脐带血的保护作用。



拓展应用空间

服务大众健康

三十年踔厉奋发，开拓进取。迄今为止，全球脐带血应用案例已经超过8.5万例，中国脐带血应用数量也已经超过3万例。目前，山东省脐血库已为国内外检索HLA相合脐带血4.4万余次，为临床干细胞移植提供合格脐带血1.5万余份。

2000年，山东省脐血库第一例脐带血成功应用，通过脐带血移植，成功救治9岁急性淋巴细胞白血病患者，为脐带血用于临床移植开创了先河。在全球范围内，脐带血已经应用于80多种疾病的治疗，脐带血相关的临床研究已超过1600项，仅山东省脐血库就已同省内外121家科研单位，合作落地188项科研项目。诸多临床应用与科研成果表明，脐带血干细胞移植技术作为先进的医疗手段，不仅可以有效治疗部分恶性肿瘤、血液系统疾病、免疫系统疾病和代谢系统疾病，在再生医学领域也发挥着越来越大的作用，对脑瘫、自闭症、卵巢早衰、肝硬化、股骨头坏死、糖尿病、脑卒中、心衰、阿尔兹海默症等疾病的治疗具有巨大的潜力。



山东省脐血库样本储存库

在中国输血协会与社会科学文献出版社联合发布的《输血服务蓝皮书：中国输血行业发展报告（2023）》中提到，我国脐带血库自批准设置以来，在国家卫健委统一管理、省卫健委监管与支持下，充分贯彻落实国家方针政策，致力于合规合法、健康有序地发展。近年来，中国脐带血库库容量稳步攀升，临床应用案例不断增多，挽救了许多需要造血干细胞救治的患者。

深挖医学价值

提升科研实力

三十年睿智求索，创新致远。山东省脐血库一直聚焦科研创新，挖掘应用潜能，通过学术文章发表、专利授权及科研项目合作等多种方式，在干细胞临床研究、细胞诱导分化及扩增技术、组织冻存研究和基因检测等方面取得重大成果，有力地提升了在干细胞及其转化应用领域的核心竞争力。

近年来，山东省脐血库成功建立从外周血及冻存脐带血中培养iPS技术、基于数字PCR的微生物快速检测技术、从冻存脐带血培养自然杀伤细胞技术体系。与此同时，山东省脐血库以3.5万㎡现代化生物医学高科技基地为依托，先后成立了“山东省干细胞与临床应用工程研究中心”、“山东省细胞治疗工程技术研究中心”、“山东省服务业创新中心”、“山东省院士工作站”、“博士后科研工作站”等科研机构。



此外，山东省脐血库广纳儿科、血液科、肿瘤科、低温医学、临床检验、HLA等方面的知名专家，与齐鲁医院成立专家委员会，与北京大学系统生物医学研究所、艾凯生物等国内外科研单位形成密切合作和战略伙伴关系。未来，山东省脐血库还将在脐带血干细胞临床适应症扩大，临床研究与转化，脐血各成分的深度研究等方面加大投入力度，不断开发更多脐带血的医疗价值，为大众健康贡献更多力量。



弘扬公益精神

勇担社会责任

三十年使命在肩，践行初心。自建库以来，山东省脐血库始终坚守公益之心，积极承担社会责任，踊跃参与公益事业，与山东省红十字会、山东省医学会等机构联合成立了“火种工程”“救助基金”“科研基金”等公益项目。

脐带血是拥有蓬勃生命力的火种，每一份脐带血的应用，都是一次生命火种的播撒，火种所到之处，为生命重燃希望。截至目前，“火种工程”已筹集善款千万余元，累计援助困难家庭200余个。2023年，“火种工程”公益项目已全面升级，针对不同人群，开展定向援助项目，通过多方共同的努力，不断拓展救助病种和年龄范围，使惠及人群以及惠及地域更加广泛，救助更多身陷困境的家庭。



未来，山东省脐血库将继续充分贯彻落实国家方针政策，从医、学、研、产等方面，全方位全周期聚焦高质量发展和创新引领，筑牢脐带血事业的发展之基，坚持以责任为中心的工作导向，擦亮脐带血事业的中国名片。山东省脐血库与祖国同行，与时代共进，不断书写奉献卫生健康事业的隽美华章，真正把自身的发展融入到中华民族伟大复兴的实践中去。

12月9日，山东银丰生命科学研究院济南研发中心以高频HLA纯合子脐血为供体，将其中的单个核细胞重编程（reprogramming）为诱导多能干细胞（induced pluripotent stem cells，iPSCs），并成功建系。



iPS细胞克隆

iPS细胞是日本科学家山中伸弥（Shinya Yamanaka）教授于2006年利用病毒载体将四个转录因子（Oct4, Sox2, Klf4 和c-Myc）转入成纤维细胞（体细胞），使其“时钟倒拨”诱导成类似于胚胎干细胞（ES-like）的一种多能干细胞。该革命性的技术一经报道，便引起了世界轰动。其重要意义在于可避免胚胎干细胞在临床应用中所面临的伦理问题和异体移植引起的免疫排斥问题，具有跨时代意义。 山中伸弥教授也因此于2018年获得了诺贝尔生理学和医学奖。

山东银丰生命科学研究院业务院长于凤刚博士表示：iPS细胞自从问世的15年以来，走过了从疾病模型构建，药物筛选等基础研究，到今天的技术日臻成熟，开始迈向临床应用。例如美国Fate Therapeutics公司开发的iPSC来源的CAR-NK疗法，Vertex Pharmaceuticals公司的iPSC来源的胰岛细胞替代疗法已纷纷进入临床I期试验，并展现出潜在的治疗前景。

此次济南研发中心iPS细胞株的获得不但是一个里程碑式进展，也标志着银丰生科院开启了在诱导多能干细胞药物研发领域的战略布局。

关于山东银丰生命科学研究院

山东银丰生命科学研究院是银丰生物工程集团有限公司投资，山东省民政厅批准的一家研究机构，现拥有济南研发中心、北京研发中心、美国研发中心、免疫治疗研究所、再生医学研究所、低温医学研究所、低温工程研究所、基因科技研究所8个二级科研单位。主要致力于（干）细胞药物研发；人体细胞、组织、器官低温保存和复苏技术研究；基因医学、再生医学和免疫学的新技术、新产品的研发与转化。

银丰生科院2018年获得山东省卫生和计划生育委员会批准的《山东省遗体捐献接受单位资格证书》；2019年获山东省工业技术研究院批准的《干细胞药物协同创新中心》；2020年获得山东省财政厅和国家税务总局山东省税务局批准的具备免税资格的非营利组织，以及山东省科技厅和山东省民政厅批准的享受科技创新进口税收政策的科研单位，山东省科技厅批准的山东省第一批省级新型研发机构。（来源：山东银丰生命科学研究院）

北京时间 2022 年 4 月 13 日晚 23 时，北京大学邓宏魁团队在 Nature 杂志在线发表题为 Chemical reprogramming of human somatic cells to pluripotent stem cells 的论文。

该研究实现了完全利用化学小分子诱导人成体细胞转变为多潜能干细胞，开辟了人多潜能干细胞制备的全新途径，是继「体细胞核移植」和「转录因子过表达」之后，首次由我国自主研发的新一代人多潜能干细胞制备技术，为我国干细胞和再生医学的发展解决了底层技术上的「瓶颈」问题。



多潜能干细胞具有无限增殖的特性和分化获得生物体所有功能细胞类型的能力，在细胞治疗、药物开发和疾病模型等领域具有广泛的应用价值，是再生医学领域最为关键的「万能种子细胞」。在哺乳动物自然发育过程中，具有多潜能性的细胞只非常短暂地存在于胚胎发育的早期阶段，如何在体外获得多潜能干细胞成为了干细胞与再生医学领域面临的关键科学问题之一。

传统的获取多潜能干细胞的方法包括从早期胚胎建立胚胎干细胞、体细胞核移植、转录因子过表达等。上世纪 60 年代，英国科学家 John Gurdon 将爪蟾体细胞的细胞核移植入去核的卵母细胞中，实现了体细胞核移植技术，证明了高度分化的体细胞可以被逆转为多潜能状态。

2006 年，日本科学家 Shinya Yamanaka 报道了使用转基因过表达的方式可以将小鼠体细胞重编程为诱导多潜能干细胞（即 iPS 细胞），人的 iPS 细胞随后在 2007 年成功建立。iPS 技术打破了传统胚胎干细胞的伦理限制，也为建立病人自体特异的干细胞系提供了新的方法，大大加速了干细胞临床应用的进程，与体细胞核移植技术一同获得了 2012 年诺贝尔生理学或医学奖。

然而，尽管在再生医学领域具有巨大的潜力，iPS 技术的真正广泛应用仍面临着如安全性风险、技术难度和成本高等诸多限制，阻碍了 iPS 细胞的临床应用。如何在底层技术上取得原创性突破、开发更加安全和高效的多潜能干细胞制备方法，是亟需解决的关键问题。

邓宏魁团队长期以来致力于开发调控细胞命运的新方法和建立多潜能干细胞制备的全新底层技术。2013 年，邓宏魁团队在 Science 杂志发表了一项原创性研究成果，仅使用外源化学小分子就可以逆转细胞命运，将小鼠的体细胞重编程为多潜能干细胞（称为 CiPS 细胞），该方法被称为化学重编程。该研究开辟了一条全新的细胞重编程途径，也为进一步揭示重编程的分子机制和细胞命运调控的基本规律提供了重要基础。但是与小鼠细胞相比，人类成体细胞特性和稳态的调控更加复杂，在表观遗传层面上存在重重障碍，严重限制了在人类成体细胞利用外源刺激的方式激发细胞可塑性的可能。

自 2013 年以来，尽管众多国际团队在小鼠化学重编程工作的启发下进行了大量尝试，却一直未能实现仅使用化学小分子将人体细胞诱导为多潜能干细胞，如何通过化学重编程诱导人类体细胞获得多潜能性被领域内认为很可能是无法解决的难题。



图 1 细胞重编程制备多潜能干细胞技术的发展

邓宏魁团队经过长期坚持不懈的努力，终于在这一瓶颈问题上取得了突破。

蝾螈等低等动物在受到断肢损伤后，损伤处的体细胞会自发改变本身的特性，发生去分化过程达到与胚胎发育阶段类似的状态并获得一定的发育可塑性，从而实现肢体的再生。

受到这种再生过程的启发，研究团队进行了大量化学小分子的筛选和组合，最终发现高度分化的人成体细胞在特定化学小分子组合的作用下同样可以发生类似去分化的现象，获得具有高度可塑性的中间状态，并以此为基础最终实现了不依赖外源转基因、完全利用化学小分子诱导人成体细胞转变为多潜能干细胞（即人 CiPS 细胞）的人体细胞化学重编程技术。



图 2 人体细胞化学重编程诱导人 CiPS 细胞

人体细胞化学重编程技术的实现开辟了人多潜能干细胞制备的全新途径，为细胞治疗、疾病模型研究、新药研发等提供了新的平台和更理想的「万能种子细胞」，为利用再生医学手段解决重大疾病提供新的可能。化学重编程技术具有更加安全和简单、易于标准化、易调控等一系列技术优势，突破了传统多潜能干细胞制备技术的局限性，具有广阔的临床应用前景。

邓宏魁团队在诱导人多潜能干细胞定向分化制备功能细胞方面也走在了世界前列：由人 CiPS 细胞分化获得的胰岛细胞在移植入糖尿病小鼠和猴模型后可以有效改善其血糖控制，其应用于细胞治疗的安全性和有效性已经得到了系统的评价，这也是人多潜能干细胞来源的胰岛细胞首次在非人灵长类动物模型上得到了功能验证，体现了人 CiPS 细胞作为「种子细胞」治疗重大疾病的巨大优势，相关结果于今年 2 月份发表在 Nature Medicine 杂志。



图 3 CiPS 细胞具备广阔的应用前景

化学重编程只通过在细胞培养基中简单添加外源小分子就可以精准调控细胞表观遗传特征，进而使细胞突破既有发育生物学规律的限制、获得转变细胞命运的可塑性。邓宏魁团队系统分析了人体细胞化学重编程的独特分子机制，发现了开启人类细胞再生潜能的关键调控靶点。这一重要发现将帮助揭示细胞命运调控的普遍规律，也为重新激活人体细胞再生潜能提供了新的途径，有望推动化学重编程在组织器官再生医学方面的广泛应用。

近年来，诱导多能干细胞技术的建立，在细胞治疗、药物筛选和疾病模型等领域产生了广泛的应用价值，尤其是为患者构建自体特异性干细胞系，大大加速了干细胞临床应用的进程。多潜能干细胞在细胞治疗、药物筛选和疾病模型等领域具广泛应用价值，是再生医学领域最为关键的“种子细胞”。在哺乳动物发育过程中，其只短暂存在于胚胎发育的早期阶段，随后便会分化为构成生物体的各种类型的成体细胞，丧失其“种子细胞”特性。如何逆转这一自然发育过程，使高度分化的成体细胞重获早期多潜能状态，一直是干细胞与再生医学领域最重要的科学问题之一。邓宏魁团队一直致力于开发调控细胞命运的新方法和建立制备干细胞的底层技术。受低等动物再生过程启发，团队发现高度分化的人成体细胞在特定化学小分子组合的诱导下，可以发生类似低等动物细胞可塑性变化。基于此发现，团队对化学小分子进行大量筛选和组合，最终成功诱导人CiPS细胞，实现人成体细胞发育过程的“逆转”。图片来自新华社微博邓宏魁教授介绍，“这项全新技术，突破了以往干细胞制备技术的局限性，使干细胞制备更加简单安全、更易于标准化、更便于临床应用，为我国在再生医学和干细胞领域突破了一个瓶颈，为治疗重大疾病带来新的可能。”实际上邓宏魁团队早在2013年，在小鼠的成体细胞上就建立了这样一个技术方法。2013年，央视CCTV报道了邓宏魁教授及其团队带来的干细胞技术最新研究：采用化合物小分子的新方法，实现体细胞直接变成胚胎干细胞，途径更简捷，也更加安全。邓宏魁教授团队的这项研究成果还被刊登在美国《Science》、《Cell》期刊上——《用小分子化合物诱导体细胞重编程为多潜能干细胞》。研究团队认为生命现象的本质其实是化学，最有效改变的还是化学小分子。化学小分子重编程途径的优点是：时间缩短、效率提高、操作简单、性价比高、更为安全、可以精密调控。这项诱导体细胞重编程获得多潜能干细胞的全新方法，是研究人员利用以四个小分子为主的小分子化合物组合对体细胞进行处理，成功逆转体细胞“发育时钟”，实现了体细胞的重编程，将已经特化的小鼠体细胞诱导成为可以重新分化发育为各种组织器官类型的多潜能性细胞，并将其命名为CiPS细胞。利用小分子化合物成功构建小鼠iPS细胞利用这个方法，可以把小鼠的皮肤细胞重编程为多潜能干细胞，再将这个细胞打到小鼠的早期胚胎里，培养出活的小鼠。研究团队使用4种小分子化学物质，将小鼠的皮肤细胞诱导成全能干细胞并克隆出后代，使用小分子化学物质替代病毒的新一代干细胞技术诞生使用化学方法诱导体细胞重编程，摆脱了以往的重编程方法对遗传操纵的依赖，开启了对细胞新的认识。细胞发育过程具有可逆性，是可以受到转录因子和小分子调控的，改变细胞的状态，从而改变了细胞命运。现在理论上可以实现任何一种细胞在类型或功能上的功能转化。这意味着细胞的生命时钟被成功地逆转了，让细胞恢复到了早期最原始、最强大的状态。这样的细胞可以继续分化为有具体功能的细胞或其他器官，从而可以为未来细胞治疗以及器官移植提供无限的可能。人CiPS技术在生物医学领域具备广阔的应用前景现在，邓宏魁教授团队用这种化学小分子诱导成的新型种子干细胞，已进一步培养出了增强免疫力的人体血液T细胞和人体胰岛细胞，并且，人体胰岛细胞已经在大动物猴的身上取得实验成功，未来可用于治疗糖尿病。对此，美国萨尔克研究所教授胡安·巴尔蒙蒂给予高度评价，“这将是再生医学领域的一项重大突破。因为没有用基因，他们用的是化学小分子重新编程。现在这就像吃一片阿司匹林一样，可控、高效地制备人体干细胞，用于重大疾病治疗，加快了进入临床应用的进程