新药的开发是一个耗时且花费巨大的过程,并且由于在临床前试验中不能充分估计的副作用,这个过程伴随着很高的失败率。用人类细胞作为毒性研究需要可以准确反映体内表型、在培养中稳定维持此表型、并且可提供大规模和价格合理的可用资源。最近的研究表明,干细胞可以满足此上的要求。诱导多能干细胞(iPSC)与胚胎干细胞有着很多相同的特性,特别在无限的增殖能力和多谱系潜能方面,不同于胚胎干细胞来源的局限性,诱导多能干细胞可以来源于表达特殊的多能基因的成熟的已分化细胞。因为诱导多能干细胞是从成熟细胞中产生的,从而避开了胚胎干细胞从胚胎组织中提取面临的伦理和法律问题。因此,诱导多能干细胞是研究人类组织分化,功能,以及外源化学物在这些过程中作用的一个极好细胞来源。
1 生产hiPSC衍生细胞以供药物毒性检测多潜能干细胞沿着特定的谱系分化的技术使研究细胞发育和细胞特异性的毒性成为可能。事实上,hiPSC分化而成的细胞的概念验证毒性试验支持大规模基于人类细胞的毒性筛选试验。但是,对于iPSC在药物筛选中的应用还有以下三个限制。其一是重编程的效率和分化的可重复性,对于hiPSC,重编程方法的效率低于0.1%。而分化过程同样在效率和差异性上面不令人满意并且需要很长的培养时间。其二是在iPSC的分离,诱导和成熟中发生的遗传和表观遗传改变,造成试验结果难于被解读。其三是获得成熟表型的细胞,获得一个完全成熟的细胞是个挑战,这会限制依赖于成熟细胞生化过程的毒性检测。
2 hiPSC在毒性评估的几大应用人源诱导多能干细胞可以应用在毒性评估中的很多方面,下面主要讨论几个方面。
2.1 发育毒性胚胎干细胞检测,作为动物检测的替代方法,是一种评估致瘤性危害的体外实验。该实验探讨了包括细胞毒性,终端分化,生物化学指标,蛋白组和基因组的检测值,以提高敏感性和检测额外的细胞毒性机制。生化通路的种属间差异危害是人源化此类发育毒性试验的原动力。由于hiPSC分化方法目前还不成熟,所以利用此类细胞的发育毒性研究局限在早期分化阶段,诱导分化方法的日益发展必将可以拓展评估致瘤性危害的发育窗口期。
2.2 验证继发性药理学脱靶效应研究普遍利用细胞系统来完成。iPSC分化细胞可以在更生理化环境中表达相关靶标,当药理学特性依赖于靶标表达水平和信号转导蛋白相互作用时,则显得尤为关键,例如GPCRs,此靶标的相对丰度和细胞背景可以影响受体的药理学,因此,结合hiPSC和可在自然表达水平上分辨GPCR功能的技术[5]可以用来更加准确的评估一个候选药物的脱靶效应。
2.3 评估器官特异毒性毒理学家一直努力发展各种分子、生化和细胞模型来重现已知毒性物质的特殊在体反应以及描述毒性物质作用通路。研究主要集中在肝脏,心脏,和大脑。例如,lin和will评估了549种分别有肝毒性,心毒性,神经毒性物质对来源于肝脏、心脏、和肾脏细胞其中ATP水平的作用,大部分的毒性物质对三种细胞都有着相同的效果,显示了不能用这样的一般指标来预测器官特异性毒性。器官特异性毒性可能来源于该组织特殊的生物特性,结合hiPSC分化细胞特异的功能参数可以阐明利用永生化细胞观察不到的毒性物质作用通路。结合兼容高通量的新技术,可以检测大量的合成物。这有助于在药物筛选早期对关键安全性危害进行评估并且有助于进一步利用追踪试验进行验证以确定安全性界限。
3 结语
利用iPSC来做药物毒性筛选最重要的就是产生大量同质性高的细胞,由于不同细胞的可重编程效率不尽相同,选择用来重编程的细胞显得尤为关键。进一步的,选择重编程因子组合和基因导入系统也是iPSC在药物毒性筛选中很重要的一环,因为最原始重编程因子c-Myc是有致瘤性的,而逆转录病毒和慢病毒作为载体的导入方法也容易造成嵌合而引起不可知的变化,类似于利用蛋白质或者是导入microRNA作为重编程因子正在被研究。下一个挑战则是优化iPSC分化成特定谱系的方法,理解对特定谱系分化起关键作用的信号通路或者是因子对提高分化的效率很有帮助。而分化后细胞表型的更加均质化对于细胞药物毒性筛选系统也是一个必要的要求。总而言之,更加精细的、高效率的、可重复的可放大的诱导分化体系一旦确立起来,iPSC则变成在药物毒性筛选应用中极其有前景的工具。
