多能干细胞在胚胎发育稍晚阶段出现，能够形成由三个胚层衍生的所有胚胎组织，为再生医学和体外人类发育模型奠定了基础。
多能干细胞的特性与机制
多能干细胞（PSCs）是一种未分化细胞，具有无限自我更新和分化为任何源自外胚层、中胚层和内胚层细胞类型的能力。这些细胞可生成人体内的任何细胞或组织，其来源包括胚胎干细胞（ESCs）和诱导多能干细胞（iPSCs）。ESCs从囊胚的内细胞团中获取，而iPSCs则通过体细胞重编程产生。
凭借其巨大潜力，多能干细胞成为再生医学的希望之光。它们为研究人类发育、疾病起因及潜在治疗方案提供了丰富且可再生的干细胞资源。目前，多项临床试验正在测试由多能干细胞衍生的细胞和组织作为治疗多种疾病的疗法，如糖尿病、帕金森病、脊髓损伤、失明和血小板减少症。
自我更新与分化潜能
多能干细胞的显著特征是其分化和自我更新能力。自我更新使PSCs能够在保持未分化状态的同时无限分裂，这对维持长期培养和推进疾病调控及治疗开发研究至关重要。该过程受严格调控的内在遗传程序和外部信号通路控制，以确保基因组稳定性和防止自发分化。
然而，当暴露于特定外部信号时，PSCs会失去其干细胞特性并启动分化过程。例如，骨形态发生蛋白和转化生长因子-β（TGF-β）家族成员通过激活Smad信号通路促进中胚层和内胚层分化。
维持多能性的关键基因与信号通路
多能性通过转录因子和信号通路的协同激活得以维持，这些因子调节自我更新并抑制分化。核心转录因子如Octamer结合转录因子4（OCT4）、SRY（性别决定区域Y）-Box 2（SOX2）和NANOG，通过协调必要的基因表达网络来建立和维持未分化状态。
此外，外部信号通路也参与这一调控框架。成纤维细胞生长因子信号支持自我更新和增殖，而TGF-β/activin/nodal通路调节多能性与分化的平衡。Wnt信号进一步影响谱系特化，确保受控的命运决定。这些因素协同作用，维持多能性直至分化信号引发谱系承诺。
多能干细胞的类型
多能干细胞可分为胚胎干细胞和诱导多能干细胞两类，每类都具有独特性质，影响其在研究和治疗中的适用性。
胚胎干细胞
ESCs来自囊胚期胚胎的内细胞团，其原始多能状态提供了最广泛的分化潜力，扩大了其在科学研究中的应用。例如，在一项针对阿尔茨海默病大鼠的研究中，研究人员发现ESCs通过生成基底前脑细胞的γ-氨基丁酸（GABA）神经元和胆碱能神经元，改善了空间学习和记忆，从而增强认知功能。然而，提取ESCs需要破坏胚胎，引发了严重的伦理争议。这些问题推动了替代多能干细胞来源（如iPSCs）的研发，因为后者不涉及胚胎使用。
诱导多能干细胞
iPSCs是通过引入特定转录因子（如OCT4和SOX2）对成人体细胞进行重编程生成的多能细胞。重编程过程抑制体细胞基因，同时激活多能性相关基因，有效将成人细胞转变为多能状态。iPSCs在分化为任何细胞类型方面与ESCs极为相似，但避免了与胚胎使用相关的伦理问题。
iPSCs可从患者自身细胞中获得，降低免疫排斥风险，因此在个性化医疗中极具价值。例如，由iPSCs衍生的类器官已成功用于基础研究、精准医学、疾病建模及药物筛选和发现。
iPSCs与ESCs的比较分析
尽管iPSCs和ESCs在多能性、分化和自我更新能力上相似，但它们在起源、表观遗传记忆和遗传稳定性方面存在显著差异。
功能等效性
虽然iPSCs和ESCs在许多方面功能相似，但在特定应用中iPSCs具有独特优势。iPSCs可能克服再生医学中的免疫排斥问题，而ESCs通常由于其原始多能状态表现出更高的内在分化效率。
免疫原性
在免疫原性方面，iPSCs通过自体移植提供了显著优势，理论上消除了异体ESC衍生疗法相关的免疫排斥风险。然而，重编程过程可能引入新抗原，即使在自体环境中也可能引发免疫反应。正在进行的研究旨在更好地理解和减轻基于iPSC疗法的免疫原性潜力，以充分实现其临床前景。
多能干细胞的应用
多能干细胞在研究、药物发现和治疗中有众多应用。PSCs为研究人类发育和疾病发病机制提供了体外模型系统。
再生医学与组织工程
多能干细胞在推进再生医学和组织工程方面处于核心地位，有潜力生成用于治疗帕金森病、心脏病和糖尿病等疾病的替代组织和器官。目前的研究重点在于将PSCs分化为神经元、心肌细胞和胰岛素生成β细胞等特殊细胞类型，用于治疗应用。例如，已探索将多能干细胞衍生的施万细胞前体作为促进髓鞘修复的潜在疗法。
组织工程是再生医学的关键分支，专注于通过结合干细胞、支架和生长因子创建三维组织或器官。这些方法被用于开发烧伤患者的皮肤移植物、关节修复的软骨，以及更复杂的结构如肝组织和心脏肌肉贴片。
疾病建模
多能干细胞，特别是iPSCs，是疾病建模和个性化医疗的强大工具。生成的iPSCs可用于创建疾病特异性细胞系，以复制不同疾病的症状。iPSC衍生模型为研究导致疾病发作和进展的细胞和分子机制提供了有价值的工具。这些系统可用于筛选大量化合物以寻找潜在治疗剂，并开发针对个体患者基因特征的个性化疗法。iPSC基础模型已成功建立，涵盖广泛疾病，包括神经退行性疾病、心血管疾病和各种遗传条件。
当前研究与进展
PSCs在个性化医疗中可以替换受损或病变细胞。PSCs还通过基于干细胞技术纠正或替换有缺陷基因，为基因治疗提供了有希望的途径。
目前，研究集中在使用PSC衍生细胞和类器官进行高通量药物筛选和毒理学研究，提供可能减少对动物模型依赖的人类相关系统。先进的干细胞疗法或组织工程技术有望彻底改变受损组织和器官（如心脏、肝脏和肾脏）的修复或替换。此外，PSCs为开发目前无法治愈的神经系统疾病（如帕金森病和多发性硬化症）的新疗法带来了希望，可能改变医学的未来。
突破性研究
近期研究表明PSCs在多种临床前和临床环境中的治疗潜力。
临床试验正在进行，评估ESC衍生和iPSC衍生细胞疗法对黄斑变性、脊髓损伤和心力衰竭等疾病的疗效。例如，iPSCs展示出通过替换受损视网膜色素上皮（RPE）细胞治疗年龄相关性黄斑变性的潜力。
在将PSCs定向分化为具有高纯度和功能性的特定细胞类型方面取得显著进展，提高了基于细胞疗法的可行性。例如，通过移植分化干细胞生成胰岛素生产细胞的胰腺胰岛替代疗法治疗糖尿病患者。
研究人员正在开发复杂的生物反应器和三维培养系统，以扩大PSC衍生细胞和组织的生产规模，用于临床应用。最近的进展集中在三维干细胞培养系统，强调其更好模拟体内微环境的潜力，从而增强干细胞的增殖和分化以用于治疗应用。
基于iPSC的研究通过生成重现疾病表型的患者特异性模型，揭示了骨髓增生异常综合征的分子机制。这些模型发现了失调的RNA剪接通路和特定剪接因子突变，这些因素导致异常造血分化、细胞功能受损和MDS疾病进展。
CRISPR/Cas9基因编辑技术的发展
一个重要突破是将精确的基因编辑技术，特别是CRISPR/Cas9，整合到PSC研究中。
CRISPR/Cas9能够以前所未有的效率和准确性进行靶向基因组修改。这项技术正被用于纠正iPSCs中的致病突变，为自体基因校正细胞疗法铺平道路。一项研究使用CRISPR/Cas9纠正了镰状细胞病患者iPSCs中的镰状血红蛋白突变。基因校正后，iPSCs被分化为造血干细胞，为通过自体细胞移植治疗镰状细胞病提供了潜在策略。
使用CRISPR/Cas9技术生成同基因细胞系，以研究特定基因改变的功能影响、设计提高分化效率的PSCs，并研究对多能性、自我更新和谱系承诺至关重要的基因功能。
挑战与伦理考量
尽管多能干细胞疗法充满希望，但在安全性、效力、免疫原性、遗传稳定性、细胞可重复性和扩展性方面面临重大挑战。
确定将多能干细胞分化为适当细胞类型所需的完整谱系阶段序列仍然是干细胞和发育生物学的重大挑战。
培养多能干细胞技术上较为复杂。培养条件必须在长时间内维持PSCs的多能状态，同时确保高效分化为所需细胞类型。
此外，实现高分化效率仍是将这些细胞用于治疗目的的重大障碍。
使用胚胎干细胞的伦理关切
使用人类胚胎干细胞（hESCs），从中生长中的胚胎中分离出来，涉及严重伦理问题。这种方法涉及人类胚胎的破坏，这是一个高度争议的问题，特别是在美国，关于人类生命起点的争论与堕胎讨论紧密相关。
一些人认为胚胎应享有与成年人相同的道德权利，因为如果植入子宫，它们可以发育成人类。这引发了关于早期胚胎道德地位和使用胚胎进行研究的可接受性的辩论。对于持有这种观点的人来说，摧毁胚胎以获取干细胞在道德上是错误的，等同于剥夺人类生命。
临床使用的安全与监管挑战
将多能干细胞研究转化为临床疗法面临重大的安全和监管障碍。
肿瘤形成性：多能干细胞具有广泛增殖的固有能力，这引发了对移植后失控细胞生长和肿瘤形成的担忧。研究人员正在积极制定策略以减轻这种风险，例如确保PSCs完全且均匀地分化为所需细胞类型，并实施必要时消除移植细胞的安全开关。
偏离目标分化：确保移植的PSC衍生细胞分化为预期细胞类型且不产生不需要的细胞类型对安全性和有效性至关重要。严格的质控措施和移植细胞的体内追踪必不可少。任何植入后出现的偏离目标细胞一旦识别应立即移除。
免疫排斥：重编程过程有时会导致新抗原的表达。基因工程可以帮助克服干细胞衍生疗法的免疫屏障和免疫排斥。
监管分类：监管机构必须决定干细胞疗法应归类为“药物”、“生物制品”还是“设备”。这影响批准流程和试验要求。
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