原文/BitanSaha编译
David
在过去的一个世纪里，随着科学技术的不断进步，人类发明了更复杂和更具破坏性的武器来投入作战，只要有战争就不避免发生伤亡。即使在今天，在全球各地，无数的国际和国内武装冲突正在进行，每一场武装冲突都导致大量*人致残或丧失生活能力，甚至死亡。以干细胞为基础的细胞疗法为*事医学的变革以及促进士兵从战场上恢复提供了一种有吸引力的方法。在所有类型的干细胞中，全能干细胞具有最大的潜力，因为它们具有独特的能力来分化成成人身体的所有体细胞类型。然而，使用人类多能干细胞的治疗仍然是一个有争议的话题，这是由于伦理上的考虑以及制备方面的困难。诱导多能干细胞(iPSCs)的惊鸿出现，预示着干细胞研究的新时代到来，并最终为使用人类多能干细胞进行再生治疗的困境提供了一个可行的解决方案。
1.IPSCS-定义和潜力
IPSCs是一种成体体细胞，通过基因重组逆回到早期胚胎干细胞样状态，具有活跃的内源性多功能性表达信号程序，对维持自身更新和多功能性至关重要。尽管与胚胎干细胞(ESCs)相比，IPSCs看起来似乎难以区分，但这两组细胞可以通过它们的基因表达特征来区分。然而，与ESCs一样，IPSCs也具有自我更新的特性，即在不丧失其未分化状态的情况下具有无限繁殖的能力。同样，在与ESCs相似的方式下，IPSCs是多功能性的，即能够分化成成人人体内多种不同的细胞类型。因此，从理论上讲，能够产生功能性的、稳定的、临床级的IPSC细胞系，进而会让我们获得潜在的无限数量的不同体细胞系，用于细胞治疗应用。
2.iPSCs与其他主要干细胞的比较
干细胞是一组多样化的非特化细胞，除了iPSCs之外，还包括许多其他类型的细胞。在iPSCs被发现之前，科学家们主要研究来自人类和动物的两大类干细胞：ESCs和“非胚胎”成体干细胞(ASCs)。虽然这两种细胞具有所有干细胞的两个基本特征(自我更新和分化潜能)，但它们在再生医学中的广泛应用受到了重大限制。胚胎干细胞是来源于小鼠、人或其他动物囊胚内细胞团的多功能细胞。在胚胎发育过程中，内细胞团能够形成原始的外胚层(表皮细胞)，最终形成三个初级胚层--内胚层、中胚层和外胚层。因此，这些从胚胎组织中分离出来的细胞可以自我更新并分化为任何所需的组织或细胞。然而，这些细胞有多个缺点，影响了对其治疗应用的进一步研究。首先，据报道，除非在严格的培养条件下保存，否则这些细胞在遗传上不稳定，容易发生染色体异常。其次，在胚胎干细胞体内再生治疗过程中，部分未分化的胚胎干细胞意外植入受损部位有形成畸胎瘤的风险。第三，由于特定患者无法获得天然的自体胚胎干细胞，同种异体胚胎干细胞移植可能会导致移植物排斥反应，患者必须接受长期的免疫抑制。最后但相当重要的一点是，关于将卵母细胞、囊胚和人类胚胎用于研究目的，有一些主要的伦理考虑因素。仅此一点就已被证明是近年来ESC研究的主要障碍。成体干细胞是一种多功能细胞，即使在发育完全后也可以在全身发现，它们在受损组织的自然再生过程中起着关键作用。它们也被称为体细胞干细胞，因为与胚胎干细胞不同的是，它们在发育中的成年动物和人类中都有发现。然而，与ESCs的多能性相反，多潜能ASCs的可塑性要小得多，只能分化为特定谱系的细胞。经过广泛调查的几种主要类型的ASCs如下：①造血干细胞，可产生所有类型的血细胞，即淋巴系和髓系。②间充质干细胞，可分化为多种细胞类型：软骨细胞(软骨细胞)、肌细胞(肌肉细胞)、脂肪细胞(脂肪细胞)和成骨细胞(骨细胞)等。③神经干细胞，主要分化为少突胶质细胞、星形胶质细胞和神经元等细胞。虽然这些干细胞与胚胎干细胞相比有一些优势，比如缺乏伦理方面的考虑，但这些细胞仍然受到自身的限制。首先，成体干细胞治疗应用普及化的主要障碍是其可塑性有限。因为它们只能分化成特定的细胞系，所以我们只能从一个纯粹的ASCs群体中获得少数几种特定的细胞类型。因此，它们的治疗潜力显著降低。其次，尽管大多数ASC可以很容易地分离出来，但从它们的“生态位”中分离出特定类型的ASC非常不切实际(例如，来自大脑的人类神经干细胞)。第三，ASCs的自我更新能力相对有限，因此不能像ESCs或IPSCs那样“无限期”培养。最后，即使对最有经验的研究人员来说，分离和繁殖同质或“纯”的ASCs群体也是一项相当艰巨的任务。因此，对于在再生医学领域工作的研究人员来说，iPSCs已被证明是一个相当前景可观的选择，因为它们结合了ESCs和ASCs的最佳特征。
3.iPSC--体细胞来源
为了治疗目的而产生临床级别的iPSCs还需要仔细考虑要重新编程的合适的体细胞来源。不同细胞类型的分子特性导致重编程效率不同。因此，根据所需iPSCs的质量和数量，可以使用各种细胞来源。表1列出了近年来用于iPSC生成的几种人类细胞类型。
4.iPSC生成-重新编程方法
诱导多功能性现象背后的核心机制是多功能性基因的激活和分化基因的抑制。在大多数情况下，这是通过异位表达多功能性相关转录因子，如OCT4，SOX2，KLF4和c-myc(称为“OSKM鸡尾酒”)来实现的，无论是否添加额外的化学修饰剂，如丙戊酸。自从年ShinyaYamanaka和他的同事利用OSKM鸡尾酒法的逆转录病*整合产生了第一批iPSCs以来，人们已经探索了许多新的方法来重新编程体细胞成为多功能性细胞。使用病*(逆转录病*和慢病*)载体和各种转录因子组合的传统整合(遗传)方法已经成功地用于产生iPSCs(表2)。这些基于病*的基因传递系统是强大和有效的，但由于转基因的随机整合，它们携带着巨大的插入突变和肿瘤形成的风险，这些细胞的临床安全性存在很大的问题。为了克服这一严重的安全问题，在开发非整合(非遗传)技术(异构体、修饰的mRNA、微型RNA、重组蛋白和小分子)以产生iPS细胞方面取得了巨大的进展。这些技术减少或排除了宿主基因组发生任何改变的可能性。然而，这些非整合技术大多费时费力，效率较低，动力学缓慢，并产生大量部分重编程的IPSC样菌落。因此，对使用这些技术产生的iPS克隆/细胞进行广泛的表征对于鉴定“真正的”ipscs是至关重要的。基于“博纳”移植的非整合性技术产生的“实体”iPSCs，由于其致癌潜力，仍可能导致肿瘤的形成。这一主要问题可以通过移植这些IPSCs所需的成熟(功能)分化的衍生品来解决，而不是iPSCs本身。这与细胞分选技术相结合，可以使用可靠的标记将所需的分化细胞与其他分化细胞或部分分化或未分化的细胞分开。另一个主要问题是由于生长优势，在长时间培养IPSC的过程中获得遗传和染色体突变。这可以通过彻底检查最完整的iPS克隆来解决，即使用全基因组测序分析或高分辨率芯片检查的任何遗传和染色体突变。这些关键步骤将保护患者在再生治疗应用之前免受任何不良影响，并将把基于IPSC的治疗转化为临床常规做法。
5.现代作战中组织特异性损伤的类型及其IPSC治疗
5.1穿透性眼外伤在20世纪以前的近现代战争中，战场上眼部受伤的情况相对较少。在第一次世界大战(-18年)和第二次世界大战(-)中，眼外伤的发生率增加到2.0-2.5%，在中东战争(-73年)增加到6%-10%，在越南战争(-72年)增加到5%-9%，在沙漠盾牌和沙莫风暴行动(-91年)高达13%，主要是因为：除了手榴弹的子弹和弹片造成的破坏性眼部伤害之外，第一次世界大战中的许多士兵还暴露在德国人制造的芥子气等化学制剂中，这些化学制剂导致了巩膜外层炎、角膜炎和化学性结膜炎。根据美国陆*卫生局眼科顾问提供的信息，在“伊拉克自由行动”和“持久自由行动”期间，三种破坏性方法(火箭榴弹、弹片和简易爆炸装置)造成了大约70%的伤害。简易爆炸装置是年3月至年12月期间超过一半的眼外伤的主要原因。眼球和眼眶是眼外伤中最常见的受伤部位。这种类型的穿透性和创伤性损伤会对眼睛的内部结构，包括视网膜、脉络膜、视神经以及外层巩膜造成不可修复的损害。由于视网膜光感受器和视神经元不能自发再生，永久性视力丧失是最有可能的结果。然而，这些视网膜细胞可以通过iPSC疗法再生。在所有产生的视网膜细胞中，从iPSCs获得功能性视网膜色素上皮(RPE)细胞的研究取得了重大进展。许多研究小组已经通过类胚体形成或单层培养方法成功地将iPSCs分化为RPE细胞。这些着色的RPE细胞对于吸收穿透眼睛的散射光和保持视觉功能至关重要。在小鼠模型中，从多能细胞产生视锥和视杆感受器，以及将这些细胞整合到宿主视网膜中以部分恢复视力的研究也有了实质性的改进。由人iPSCs(HiPSCs)产生的另一种重要的视网膜细胞类型是视网膜神经节细胞，它是一种从光感受器接收视觉信息的神经元。最近，一项临床试验成功地测试了从年龄相关性*斑变性患者的IPSCs分化而来的自体RPE细胞的活性。从Episome产生的IPSCs成功地获得了一组患者特有的RPE细胞，并将其移植到其捐赠者身上，没有任何不良后遗症。iPSCs能够产生如此多种类的关键细胞类型，为即使是最严重的眼外伤的再生治疗提供了巨大的推动力。5.2听觉损伤根据美国退伍*人事务部的报道，听觉损伤是反恐战争中的主要残疾，且较难识别。大量经历了阿富汗和伊拉克路边爆炸和交火中的海*陆战队员士兵伴带着耳鸣和长期听力损失退伍。这种长期损害不仅是敌人使用的武器和爆炸物造成的，也是士兵自己使用的武器、装备和车辆造成的。根据美国国立卫生研究院的说法，经常听到85分贝或以上的声音会导致听力损失。*队中的听力损失是由外耳和内耳的机械和生化损伤引起的，通常表现为感觉毛细胞的损失。这种类型的毛细胞损失可以通过来自iPSCs的重新编程的耳蜗毛细胞的再生来逆转。虽然视网膜感光细胞的逐步分化有多种成熟有效的方法，但耳蜗细胞只有少数类似的例子，如从iPSC中产生机械敏感的毛细胞样细胞。在其他研究中，与耳蜗外植体共培养的iPSC衍生的神经祖细胞与感觉毛细胞形成突触连接或可成功移植到新生小鼠的耳蜗中。5.3神经组织损伤在战争环境中，有三种主要类型的神经组织损伤——创伤性脑损伤(TBI)、脊髓损伤(脊髓损伤)和周围神经损伤。由于大脑等器官的结构复杂性，很难准确评估外部损伤对内部工作的严重程度，甚至更难逆转这种损伤。因此，对大脑内部组织的损伤目前是不可逆的，即使在手术后历经长时间的恢复，也会有长期的副作用。暴露在简易爆炸装置下可能会导致轻度创伤性脑损伤(mTBI)，从而导致脑震荡和/或亚脑震荡。在*事环境中，大多数创伤性脑损伤是轻度创伤性脑损伤。据估计，退伍*人中的轻度创伤性脑损伤发生率为15.2-22.8%，影响多达32万名士兵。脊髓损伤(SCL)对身体也有破坏性，颈椎和腰椎是最常见的受影响区域。从机理上来说，TBI和脊髓损伤的特征类似于由原发性损伤本身引起的第一波损伤，以及由持续炎症、神经元细胞死亡、液体和电解质失衡、自由基损伤和脑水肿调节的第二波或累及损伤，后者导致进一步的持续性损伤。周围神经损伤是另一种常见的损伤类型，在战争期间持续存在。周围神经的创伤性损伤导致了世界范围内的广泛残疾。已经进行了多项研究来调查iPSCs是否可用于周围神经修复和治疗脊髓损伤，然而，没有关于脑损伤的类似研究报告。这可能是由于在诸如大脑的器官中进行细胞移植治疗的十分困难，以及与神经诱导和扩增经iPSC验证的神经干细胞相关的技术挑战。研究表明，小鼠iPSC细胞可以在体外产生次级神经球(SNSs)，产生三线神经细胞，包括多种类型的神经元。当移植到脊髓损伤小鼠模型中时，这些iPSC衍生的神经干细胞分化为星形胶质细胞。神经元和少突胶质细胞，可以促进髓鞘再形成、轴突再生和组织保留，不形成畸胎瘤或其他肿瘤，从而改善功能。用实验小鼠模型对周围神经损伤进行的进一步研究也表明，移植iPSCSNSs24可促进受损坐骨神经的功能恢复。5.4肌肉骨骼损伤肌肉骨骼损伤(包括骨骼、肌肉、软骨、结缔组织等损伤)是在退伍*人中最常见的损伤类型之一。在19世纪中叶，炮弹碎片、霰弹和枪击是受伤的主要原因，内战是美国最后一次主要交战，不到10%的死亡是由爆炸袭击造成的。从第一次世界大战开始，与爆炸有关的伤害发生率超过了30%，自第二次世界大战以来，每次遭遇的这种伤害都超过了因枪击造成的伤害。受伤的爆炸装置，包括火箭推进榴弹和地雷、爆炸形成的射弹和强化爆炸装置，已被确定为阿富汗或伊拉克所有肌肉骨骼受伤的主要原因。这些装置的破坏力导致歩战人员出现严重的骨骼伤口和软组织污染(主要包括四肢)，从长远来看，这极易进一步导致异位骨化、骨髓炎和软组织挛缩等并发症。治疗肌肉骨骼损伤所需的主要细胞类型包括骨骼肌纤维细胞、破骨细胞、成骨细胞和软骨细胞，所有这些细胞都来源于中胚层谱系。在年进行的一项研究中，使用无血清的特定培养条件，将26只小鼠iPSCs有效分化为PDGFR-a+/Flk-1-旁轴中胚层祖细胞。诱导多能干细胞衍生的近轴中胚层祖细胞在体外和体内均表现出软骨形成、肌形成和成骨分化的潜能。在同一项研究中，PDGFR-a+/Flk-1人iPSC衍生的旁轴中胚层祖细胞在体外显示出分化为软骨细胞、骨细胞和骨骼肌细胞的潜力。当与3D生物材料结合时，这些中胚层谱系细胞可以促进肌肉和骨再生。在另一项研究中，在基于透明质酸的3D复合支架上，将来源于hiPSC的间充质干细胞与来源于hiPSC的巨噬细胞共同培养，不仅诱导了hiPSC-巨噬细胞的破骨细胞分化，还促进了hiPSC-间充质干细胞的强成骨活性，从而成功产生了异位骨形成模型。5.5皮肤损伤几乎所有的战斗损伤都存在皮肤损伤，从表皮组织的破坏到导致疤痕组织形成的深层皮肤损伤。与大多数其他组织系统相比，皮肤及其附属物具有极好的再生能力，有助于不断的自我更新。这主要是因为皮肤有大量的各种干细胞/祖细胞，这些细胞在受伤时容易产生新的表皮。然而，深度渗透损伤、化学损伤和更高程度的烧伤可能导致这些皮肤祖细胞的损失，从而导致再生能力下降和疤痕形成。在这种情况下，来自患者自体移植的特异性iPSCs的分化皮肤细胞有助于更快的愈合和提高恢复率。尽管关于将iPSCs用于皮肤病治疗的研究进展缓慢，但已有报告证实了该方法的可行性。年，研究人员报告可以将人iPSCs转化为黑素细胞。此外，透射电子显微照相术还揭示了3F和4F-iPSC来源的黑素细胞中的黑素体形成。在另一项研究中，来自正常受试者和隐性营养不良性大疱性表皮松解症患者的29个诱导多能干细胞被分化为角质形成细胞，这采用了以前用于胚胎干细胞分化为上皮谱系的适应方案。衍生细胞表达角质细胞标记物，用于生成3D皮肤等价物。在同一组的另一项研究中，他们报告了一种将iPSCs分化为产生第Ⅶ型胶原的皮肤成纤维细胞的方法，可用于隐性营养不良性大疱性表皮松解症的治疗。研究人员使用电子束形成法和添加抗坏血酸和肿瘤生长因子b2的培养基来加速中胚层分化。衍生细胞群表达成纤维细胞相关的镉表面标记以及波形蛋白和P4HB。使用蛋白质印迹分析，他们还表明成纤维细胞分泌成熟的第Ⅶ型胶原，他们使用免疫受损小鼠的皮肤重建室试验测试了iPSC衍生的成纤维细胞的体内功能能力。因此，基于iPSC或其分化衍生物可用于多种细胞的再生，以恢复这些细胞并从而恢复其功能。
6.干细胞生物库
如前所述，使用自体iPSCs的细胞治疗绕过了使用其他类型干细胞不可避免地存在的许多限制，包括免疫排斥、伦理问题和可获得性。然而，IPSCS在野战场景中的应用仍然存在一个不可预见的两难境地，即重新编程和区分所需的时间限制。与在应用前只需分离和分化的ESCs和ASCs不同，人类iPSCs需要大约2-4周的多潜能诱导步骤。因此，为了绕过这一限制，可以使用建议的iPSC生物库系统。在这个系统中，现役*队人员在部署前将提供细胞样本(例如皮肤活检中的真皮成纤维细胞)，然后将其重新编程为自体、免疫兼容的IPSCs，然后进行超低温保存，以便长期储存。当需要时，来自各自捐赠者保存的iPSC样本将被分化为合适的所需细胞类型，并移植用于再生治疗。到目前为止，生物库仅用于储存婴儿脐带血，并作为即时细胞治疗的细胞库，然而，在不久的将来，该系统也可以扩展到iPSC存储。结合未来的发展，可能会进一步提高系统的疗效，目前治疗就绪、自体和免疫相容的干细胞的内在潜力使生物库成为一个值得认真考虑的概念。
结论
虽然干细胞治疗最初是作为平民人群某些疾病的一种可能的治疗模式进行研究，但最近对战伤生理学的研究表明，再生性干细胞治疗也可以为*队人员的创伤提供有效和持久的治疗。纵观历史，*事医学研究中最重要的进步来自对野战人员战时创伤的详细分析。随着现代高能高爆武器的发展，创伤和危及生命的战斗伤害的多样性只会增加不会减少，未来战伤救治和损伤修复，其中很大一部分可能会受益于iPSC介导的细胞疗法。虽然目前，这些疗法的有效性和可行性仍然存在争议，但希望在未来，干细胞技术的进一步发展应用，将有助于将这一革命性的概念变为现实。（您的转发，是对我们最大的肯定和动力）延伸阅读：
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