NBT破解谜题:诺奖技术iPSC诞生14年,阻碍临床应用的“关键因素”找到了!

来源: 医药魔方Pro/yiyaomofangpro

2006年,京都大学山中伸弥教授及其合作者在Cell杂志[1]率先报道了诱导多能干细胞(iPSC)技术,这类细胞重编程自成熟细胞(如皮肤细胞),具有分化成多种细胞类型的潜能。该突破技术的出现很快引发轰动,并掀起了研究热潮。短短6年后(2012年),山中伸弥教授就因在开发iPSC中做出的贡献与英国科学家John B. Gurdon分享了诺贝尔生理学或医学奖。

 

很多人认为,iPSC将成功进入临床,并带来再生医学革命。因为,理论上来说,由于同一名患者同时是iPSC的供体和受体,因此,这些细胞将被患者的免疫系统识别为“自己人”,从而不会出现困扰传统移植的排斥反应问题。然而,现实状况并没有大家想象的那么美好,临床前研究表明,来源于iPSC的细胞移植常常被排斥,基于这类技术的疗法并没有成为最初设想的灵丹妙药。

 

图片来源:Nature Biotechnology

 

那么,为何基于iPSC的细胞移植会出现这种排斥反应呢?这是很多研究团队试图弄清的问题。8月19日,发表在Nature Biotechnology上的一篇论文中[2],来自加州大学旧金山分校等机构的科学家们获得了一项重要发现。研究证实,成熟细胞向iPSC转化的过程会使线粒体中的DNA发生突变,而这些突变之后会触发免疫反应,导致小鼠和人类排斥iPSC。

 

在再生医学领域,线粒体的作用很大程度上被忽视了,但我们实验室的早期研究表明,线粒体可能会影响干细胞移植的结果。因此,我们认为,了解线粒体的作用很重要,它能够帮助我们可靠的控制工程细胞的质量,确保被移植到患者体内的干细胞产品不产生排斥反应。”论文共同一作Tobias Deuse博士解释道。

 

线粒体通常被称为细胞的动力工厂,负责为几乎所有生物过程提供能量。拥有自己的基因组使得该细胞器“身份”更加特别。与位于细胞核内的基因组(包含超过20,000个蛋白质编码基因以及30亿个DNA碱基)不同,线粒体基因组仅包含13种编码蛋白质的基因,以及不到17,000个碱基。然而,在能量需求非常高的组织中,微小的线粒体基因组为细胞的总蛋白含量贡献了“惊人的力量”。

 

举例来说,在“工作量巨大”的心肌细胞中,多达三分之一产生蛋白质的mRNA起源于线粒体。这意味着,单个线粒体的突变负担可能非常大;最终可能会产生数千种引发免疫反应的蛋白质。

 

为了证明这样的线粒体突变能够触发免疫反应,领导该研究的Sonja Schrepfer教授及其团队创造了同时携带核DNA(来自一种小鼠品系)和线粒体DNA(来自另一种小鼠品系)杂合干细胞。他们将这些干细胞移植到了具有相同核DNA,但线粒体DNA不同(在两个蛋白质编码基因中有一个碱基不同)的小鼠中。

 

移植几天后,研究人员从小鼠中收集了免疫细胞,并将这些细胞暴露于各种线粒体蛋白片段中。结果显示,唯一触发免疫反应的蛋白质由两个“外来”线粒体基因所产生。

 

小鼠中对同种异体线粒体DNA来源的蛋白质的免疫反应(图片来源:Nature Biotechnology

 

虽然类似的实验不能在人类身上进行,但科学家们想出了一个聪明的解决办法。他们招募了肝脏和肾脏移植患者,利用供体和受体线粒体DNA天然存在的序列差异设计了相关实验。与在小鼠实验中一样,研究人员从每个移植受体中分离出了免疫细胞,并将这些细胞暴露于线粒体蛋白片段中。结果与小鼠研究一致,受体的免疫细胞只会被来自器官供体的“外来”线粒体蛋白质触发。

 

“在小鼠和人类中,即使一个线粒体突变也足以产生可识别的免疫反应。”Schrepfer教授说。

 

人类移植受者中对同种异体线粒体DNA来源的蛋白质的免疫反应图片来源:Nature Biotechnology

 

基于以上发现,科学家们接着确认,是否来源于iPSC的细胞会与肝脏和肾脏细胞一样,会因线粒体表达了不同的蛋白质而触发机体的免疫排斥。

 

结果证明,iPSC的转化过程具有高度的诱变性,导致了许多新的能激活免疫反应的线粒体突变。

 

事实上,在正常生理条件下,线粒体DNA的突变率就比细胞核DNA高10-20倍(与细胞核不同,线粒体缺乏修复DNA的分子机制),而将成熟细胞转化为干细胞(即产生iPSC)是一个艰难的过程,因此,预计突变率会同样高或更高。

 

人类iPSC和iEC(诱导内皮细胞)中来源于线粒体DNA的新抗原的发生和抗原性图片来源:Nature Biotechnology

 

“在培养皿中培养iPSC的时间越长,引入新突变的可能性就越大,或者,已存在的罕见突变会被放大,这就会使得来源于iPSC 的细胞在移植后更容易被排斥。由于在iPSC生产过程中很容易引入突变,因此在移植前筛查用于治疗的iPSC和干细胞产品的线粒体突变至关重要。”Shrepfer教授说。

 

不过,值得一提的是,研究团队强调,iPSC移植并非注定失败,他们前发现了一种使iPSC对免疫系统“隐形”的方法——这种技术可以确保iPSC和其它携带线粒体突变的干细胞不会被排斥(今年2月,Deuse博士和Schrepfer教授利用基因魔剪CRISPR技术创造了首个功能上对免疫系统隐形的多能干细胞。这被认为是生物工程领域的一项壮举。在实验室研究中,这类多能干细胞阻止了排斥反应。)[3]。

 

总结来说,科学家们认为,这些发现可能会对移植领域产生重大影响,推动iPSC技术颠覆再生医学的进程。

 

小结


领域:干细胞

杂志:Nature Biotechnology
亮点:
1)来自加州大学旧金山分校等机构的科学家们证实,成熟细胞向iPSC转化的过程会使线粒体中的DNA发生突变,而这些突变是触发免疫反应,导致小鼠和人类排斥iPSC的关键因素。
 2)研究者们认为,在移植前筛查用于治疗的iPSC和干细胞产品的线粒体突变至关重要,这些发现可能会对移植领域产生重大影响。


相关论文:

[1] Kazutoshi Takahashi et al. Induction of Pluripotent Stem Cells from Mouse Embryonic and Adult Fibroblast Cultures by Defined Factors. Cell(2006).

[2] Tobias Deuse et al. De novo mutationsin mitochondrial DNA of iPSCs produce immunogenic neoepitopes in mice and humans. Nature Biotechnology (2019).

[3] Tobias Deuse et al. Hypoimmunogenic derivatives of induced pluripotent stem cells evade immune rejection in fully immunocompetent allogeneic recipients. Nature Biotechnology (2019).

 

参考资料:

1# 2012年诺贝尔生理学或医学奖揭晓

2# 诱导多能干细胞缩短细胞治疗过程,进一步推进再生医学走向临床丨CellPress论文速递

3# Wikipedia: Induced pluripotent stem cell

4# New clues on stem cell transplant rejection revealed in study

5# CRISPR Gene Editing Makes Stem Cells ‘Invisible’ to Immune System


新靶点


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