皮膚抗衰系列一 | 誘導(dǎo)多能干細胞在皮膚抗衰老中的應(yīng)用
皮膚衰老是生理性、不可避免的，其具體表現(xiàn)多種多樣， 包括組織變得萎縮、脆弱，出現(xiàn)修復(fù)缺陷、免疫缺陷及易受感染。皮膚衰老受內(nèi)在及外在等多種不同因素的影響，同時在 衰老局部留下多種印記。皮膚衰老所導(dǎo)致的一系列不良后果， 使得人們對抗衰老的需求越來越強烈。
干細胞與外泌體
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衰老過程包括生理和功能退化，這種退化在生物體的一生中不斷發(fā)展，由各種遺傳和非遺傳環(huán)境因素引起，最終， 體內(nèi)平衡被破壞，對疾病的易感性增加。臨床上，皮膚衰老表現(xiàn)為細紋和皺紋、彈性喪失、色素異常、表皮變薄和粗糙度增加。隨著年齡的增長，干細胞功能受損，不再維持表皮組織穩(wěn)態(tài)和修復(fù)受損組織，導(dǎo)致皮膚衰老。
本系列旨在科學(xué)的講述極受關(guān)注的干細胞相關(guān)抗衰老的研究進展，其中主要描述應(yīng)用較多的間充質(zhì)干細胞、誘導(dǎo)多能干細胞及其衍生物（外泌體、條件培養(yǎng)基、細胞外囊泡）在皮膚抗衰老中的研究成果及作用機制。
皮膚抗衰系列一 | 誘導(dǎo)多能干細胞在皮膚抗衰老中的應(yīng)用皮膚抗衰系列二 | 間充質(zhì)干細胞在皮膚抗衰老中的應(yīng)用皮膚抗衰系列三 | 外泌體在皮膚抗衰老中的應(yīng)用皮膚抗衰系列四 | 條件培養(yǎng)基在皮膚抗衰老中的應(yīng)用皮膚抗衰系列五 | 細胞外囊泡在皮膚抗衰老中的應(yīng)用
本期 | 皮膚抗衰系列一 | 誘導(dǎo)多能干細胞在皮膚抗衰老中的應(yīng)用
人體皮膚成纖維細胞的熒光顯微照片
1.iPSC技術(shù)開啟醫(yī)學(xué)新紀元
誘導(dǎo)多能干細胞 (induced pluripotent stem cells, iPSCs) 是將一系列誘導(dǎo)因子導(dǎo)入到成熟體細胞中，并 重編程為具有類似胚胎干細胞特征的一種多能干細胞。誘導(dǎo)多能干細胞避開了利用人體胚胎提取干細胞的倫 理道德制約，避免了異體移植免疫排斥的風險，同時 在建立疾病模型、藥物篩選和開發(fā)等領(lǐng)域具有重大潛在價值。
2006 年日本京都大學(xué)山中伸彌（Shinya Yamanaka） 在世界著名學(xué)術(shù)雜志《細胞》上率先報道了誘導(dǎo)多能 干細胞的研究。因此，山中伸彌于2012年獲得諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎。
誘導(dǎo)多能 干細胞醫(yī)療級的應(yīng)用包括：疾病治療、器官移植、 生物修復(fù)等，也可以通過細胞生產(chǎn)需要的產(chǎn)物，如血小板等，以及應(yīng)用患者的誘導(dǎo) iPSCs 細胞篩選藥物。臨床應(yīng)用方面以日本的進展最快，其次為美國、澳大 利亞等。
全球范圍內(nèi)已有多個產(chǎn)品進入了臨床。常見的應(yīng)用方向，包括眼科類的退行性疾病（黃斑變性）、神經(jīng)退行性疾病（如帕金森病）、囊性纖維化、肌萎縮性側(cè)索硬化、癌癥等。其他系統(tǒng)性疾病的在研方向，包括 糖尿病、心衰等，以及對新冠肺炎的治療和后遺癥的 恢復(fù)都有在進行中。
2.iPSCs技術(shù)的優(yōu)點
· iPSCs可由少量的皮膚組織誘導(dǎo)獲得；
· iPSCs在體外可以無限的增殖，提供大量的細胞來源；
· iPSCs可以分化為各種細胞類型；
· 由iPS細胞分化獲得的細胞能用于疾病模型和藥物篩選；
· 基因突變引起的皮膚病可以在iPS細胞中糾正突變基因；
· 由iPS細胞衍生而來的細胞如角質(zhì)形成細胞可以用于細胞治療；
· 應(yīng)用iPS細胞分化的成體細胞避免了由胚胎干細胞引起的倫理問題。
|誘導(dǎo)多能干細胞 (iPSC) 和 iPSC 衍生的角質(zhì)形成細胞的產(chǎn)生
iPSC 的一個決定性特性是它們可以無限擴展的能力。現(xiàn)在，基本上無限量的所得材料使皮膚研究人員能夠為各種遺傳性皮膚病生成人體模型。
這些模型不僅用于更好地了解導(dǎo)致各種皮膚疾病的病理機制，而且還用于生成基于細胞的篩選系統(tǒng)，旨在識別逆轉(zhuǎn)或減少疾病表型的化合物。
3.Dior（迪奧） 利用iPS細胞研究皮膚對抗衰老
2019年Dior的研究部門與京都大學(xué) iPS 細胞研究與應(yīng)用中心 (CiRA) 開展合作，研究皮膚代謝機制。該聯(lián)合項目的目的是探索氧化代謝如何影響皮膚角質(zhì)形成細胞的自我更新或分化能力。
“將研究年齡對線粒體狀態(tài)、皮膚再生和分化的影響，希望有助于皮膚和皮膚年輕化的重大治療發(fā)現(xiàn)，”CiRA 在一份新聞聲明中說。在諾貝爾獎獲得者山中伸彌的指導(dǎo)下，CiRA 是誘導(dǎo)多能干細胞研究的領(lǐng)先中心。根據(jù) CiRA 的說法，iPS 細胞是通過將少量因子引入人體細胞（如皮膚細胞和血細胞）而產(chǎn)生的細胞。iPS細胞的獨特之處在于它們可以在體內(nèi)轉(zhuǎn)化為任何類型的細胞并在培養(yǎng)中無限增殖。Dior 旨在利用該中心的干細胞專業(yè)知識來開發(fā)再生皮膚細胞和保持年輕皮膚的方法。
深入研究衰老的細胞原因
CiRA 的 Wolzen 實驗室由 Knut Wolzen 副教授領(lǐng)導(dǎo)，將為 Dior 的研究團隊提供來自健康老年供體的誘導(dǎo)多能干細胞 (iPSC) ，并提供其在基因組編輯方面的專業(yè)知識。
這將使他們能夠通過比較年輕和老年供體的 iPS 細胞產(chǎn)生的皮膚細胞狀態(tài)，分析與衰老跡象相關(guān)的因素，例如皺紋。
該項目標志著日本團隊首次與法國奢侈化妝品公司合作。
CiRA 之前對 iPS 細胞的研究為帕金森病和肌萎縮側(cè)索硬化癥 (ALS) 等頑固性疾病帶來了新的治療方法。
Dior 表示，希望 Dior 和 CiRA 之間的長期交流能夠帶來皮膚和皮膚年輕化方面的重大治療發(fā)現(xiàn)。
隸屬于LVMH集團研究與創(chuàng)新部門的Dior Science，擁有20年的干細胞研究經(jīng)驗。
據(jù) Dior Science 稱，它自己的研究已經(jīng)在皮膚領(lǐng)域產(chǎn)生了 17 項發(fā)現(xiàn)，發(fā)表了大約 55 篇論文，并建立了數(shù)個學(xué)術(shù)合作伙伴關(guān)系。
他們對皮膚護理領(lǐng)域干細胞研究的最新發(fā)現(xiàn)引起了 CiRa 的“極大興趣”。
展望未來，研究小組計劃研究再生所需的物質(zhì)，以及皮膚細胞在暴露于紫外線輻射和熱等日常壓力后如何變化。
4.世界首富杰夫貝索斯投資iPS技術(shù)頂尖公司
據(jù)報道，世界首富杰夫貝索斯投資了 Altos Labs，這是一家試圖延長人類壽命的最新創(chuàng)業(yè)公司。
亞馬遜前首席執(zhí)行官杰夫貝索斯一直在尋找人類未來的空間。但根據(jù)麻省理工學(xué)院技術(shù)評論的一份報告，世界上最富有的人也在試圖延長人類在地球上的壽命。
據(jù)《技術(shù)評論》2021年的報道，貝索斯的身家估計為 2000 億美元，他是 Altos Labs 的幾位投資者之一，Altos Labs 是一家硅谷初創(chuàng)公司，致力于使細胞恢復(fù)活力并可能延長壽命。這家初創(chuàng)公司還將以色列-俄羅斯科技億萬富翁、300 萬美元突破獎的創(chuàng)始人 Yuri Milner 作為支持者。
根據(jù)麻省理工學(xué)院的《技術(shù)評論》 ，Altos Labs 正在研究所謂的重編程技術(shù)，這是一種將成體細胞轉(zhuǎn)化為誘導(dǎo)多能干細胞的方法，誘導(dǎo)多能干細胞可以變成任何類型的細胞。
科學(xué)家們表示，重新編程在治療視力喪失、脊髓損傷、腦損傷和其他與年齡相關(guān)的身體退化方面具有巨大潛力。在 2018 年的一項研究中，索爾克研究所的生物化學(xué)家 Juan Carlos Izpisua Belmonte宣稱它是“長生不老藥”，并表示“衰老不是一個不可逆轉(zhuǎn)的過程”。
據(jù)《技術(shù)評論》報道，現(xiàn)在Izpisua Belmonte 加入 Altos Labs。其他更多的杰出科學(xué)家也加入了這家創(chuàng)新公司，包括加州大學(xué)遺傳學(xué)家 Steve Horvath，他開發(fā)了一種通過分子標記檢測細胞衰老的方法。據(jù)《技術(shù)評論》報道，2012 年因iPS細胞技術(shù)獲得諾貝爾獎的山中伸彌教授將領(lǐng)導(dǎo) Altos Labs 科學(xué)顧問委員會工作。
阻止疾病和延長生命似乎是貝索斯的主要興趣。在 2020 年給亞馬遜股東的信中，這位 57 歲的亞馬遜創(chuàng)始人廣泛引用了英國進化生物學(xué)家理查德道金斯 (Richard Dawkins) 給他的投資者的信：“避免死亡是你必須努力的事情。……如果生物沒有“如果不積極阻止它，它們最終會融入周圍環(huán)境，不再作為自主生物存在。這就是它們死后會發(fā)生的事情。”
貝索斯在他的股東信中總結(jié)道：“永遠，永遠，永遠不要讓宇宙讓你融入周圍的環(huán)境。”
據(jù)Bezos Expeditions稱，這位億萬富翁持有其他幾家進行細胞研究的創(chuàng)新公司的股份，包括 Nautilus Biotechnology、Sana Biotechnology、Denali Therapeutics 和 Juno Therapeutics（現(xiàn)為 Bristol Myers Squibb 的一部分）。
與科技億萬富翁彼得泰爾一起，貝索斯還投資了 Unity Biotechnology，這是一家開發(fā)延緩細胞衰老技術(shù)的創(chuàng)新公司。
利用干細胞持術(shù)延緩死亡和恢復(fù)健康項目是硅谷的熱門項目。2019年，谷歌推出了Calico，一個治療衰老的研發(fā)實驗室。一年后，帕洛阿爾托長壽獎提供 100 萬美元獎勵那些可以讓老生物變年輕或?qū)⑸飰勖娱L 50% 的研究人員。今天，來自 50 個國家的研究人員可以通過美國國家醫(yī)學(xué)科學(xué)院的“健康長壽”挑戰(zhàn)獲得大約 3000 萬美元的獎金。
紐約阿爾伯特愛因斯坦醫(yī)學(xué)院衰老研究所所長 Nir Barzilai 告訴《紐約郵報》 ，他預(yù)計2022年將有45億美元用于支持延長生命的科學(xué)研究。
5.誘導(dǎo)多能干細胞來源外泌體在皮膚病中的有效應(yīng)用
幾項研究表明，iPSC-EXO在皮膚病中的有效應(yīng)用，例如傷口愈合和抗老化。研究表明HiPSC-MSC-exos在治療大鼠皮膚傷口中的潛力。大鼠傷口周圍的HiPSC-MSC-exos皮下注射導(dǎo)致加速重新上皮化，疤痕寬度減少和促進膠原蛋白成熟度。
在皮膚抗老化方面，外泌體應(yīng)用刺激了人類皮膚成纖維細胞和HUVEC的增殖和遷移，以及I型和III型膠原蛋白和彈性蛋白分泌的增加，以劑量依賴性方式在體現(xiàn)。他們的發(fā)現(xiàn)表明，HIPSC-MSC-EXO可以通過促進膠原蛋白合成和血管生成來促進皮膚傷口愈合。
研究使用未分化的HiPSC治療的外泌體治療的糖尿病性潰瘍小鼠也具有更快的傷口閉合和愈合率。它們的外泌體能夠在體外刮擦測定法中促進成纖維細胞遷移和增殖。
為了研究源自 iPSC 的外泌體在人體臨床試驗中的潛在應(yīng)用，研究人員在傷口中處理了源自自體和異體恒河猴 iPSCs 的外泌體，并發(fā)現(xiàn)兩組皮膚傷口愈合加速的證據(jù)，如傷口閉合、上皮覆蓋、膠原沉積和血管生成所證明的。外泌體在體外促進受損表皮細胞、內(nèi)皮細胞和成纖維細胞的細胞活力。
研究發(fā)現(xiàn)，iPSC-Exos 含有低水平的多能 mRNA，如 Oct4、Sox2、Klf-4 和 Nanog，而它們不向宿主細胞傳遞多能性。對此的一個可能解釋是多能 mRNA 在外泌體接受細胞中的短暫存在，并且遞送的 mRNA 不足以轉(zhuǎn)化為可檢測量的多能因子。
因此，接受外泌體的細胞不具有重編程能力，這表明iPSC-Exos 沒有形成畸胎瘤的風險。此外，同種異體外泌體不會引起淋巴細胞浸潤到皮膚病變中，如 T 細胞標志物 CD3、B 細胞標志物 CD20 和單核細胞/巨噬細胞標志物 CD68 的蛋白質(zhì)印跡分析所證明的那樣。
這表明同種異體 iPSC-Exos 可能是“現(xiàn)成的”無 iPS 細胞產(chǎn)品的首選，因為它們的大規(guī)模生產(chǎn)無需擔心畸胎瘤的形成。除了使用自體外泌體的個性化醫(yī)療之外，異基因 iPSC 衍生的外泌體可能代表一種有前途的疾病治療替代方法。
6.iPSCs外泌體優(yōu)于MSCs外泌體
名古屋大學(xué)醫(yī)學(xué)研究生院的科研人員2018年在Nagoya J Med Sci.學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表的標題為Effects of exosomes derived from the induced pluripotent stem cells on skin wound healing的論文指出，誘導(dǎo)多能干細（iPSCs）來源的外泌體優(yōu)于間充質(zhì)干細胞（MSCs）來源的外泌體。
該研究使用糖尿病潰瘍模型，研究了 iPSCs-Exos 和 MSCs-Exos 兩種外泌體對皮膚傷口愈合和細胞遷移能力的影響。透射電子顯微鏡分析表明，iPS-Exos (120 ± 25 nm) 的尺寸明顯大于MSCs-Exos (≤ 100nm)。流式細胞術(shù)分析顯示，iPSCs-Exos 對 CD9、CD63和CD81呈陽性，而對 HLA-ABC 和 -DR 表達呈陰性。與 iPSCs-Exos 共培養(yǎng)的成纖維細胞的遷移能力顯示出高于與MSCs-Exos共培養(yǎng)的細胞的遷移能力，如使用劃痕試驗所證明的。皮膚傷口愈合模型結(jié)果表明，與在MSCs-Exos組中觀察到的相比，iPSCs-Exos 的施用導(dǎo)致傷口閉合更快。
此外，該研究還證明，iPS-Exo 治療可誘導(dǎo)受傷后第 7 天的血管密度增加和受傷后第 28 天的神經(jīng)纖維密度增加，這表明這些囊泡可能促進神經(jīng)纖維的再生。
總之，最近，越來越多的研究表明，誘導(dǎo)多能干細胞 (iPSC) 和 iPSC 衍生細胞顯示出治療效果，主要通過旁分泌機制以及轉(zhuǎn)分化能力。外泌體已成為 iPSC 通過傳遞生物活性成分修復(fù)受損細胞的重要旁分泌因子。iPS-Exos的尺寸明顯大于MSCs-Exos，iPS-Exos對成纖維細胞的遷移能力更強，iPSCs外泌體優(yōu)于MSCs外泌體。關(guān)于 iPSC 衍生的外泌體在各種疾病模型上的動物報告正在增加，例如在心臟、四肢、肝臟、皮膚、骨骼、眼睛和神經(jīng)系統(tǒng)疾病等。
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