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诱导性多能干细胞技术
自十年前诱导性多能干细胞 (iPSC) 技术问世以来，干细胞生物学和再生医学取得了巨大进步。人类 iPSC 已广泛用于疾病建模、药物发现和细胞疗法开发。新的病理机制已被阐明，源自 iPSC 筛选的新药正在研发中，并且已启动使用人类 iPSC 衍生产品的首个临床试验。特别是，人类 iPSC 技术与基因编辑和三维类器官的最新发展相结合，使基于 iPSC 的平台在其应用的每个领域（包括精准医疗）中都更加强大。在本概述中，我们将讨论与药物发现和再生医学特别相关的 iPSC 技术应用的进展，并考虑到该领域仍存在的挑战和新兴机遇。
诱导性多能干细胞 (iPSC) 和基因治疗
摘要：迄今为止，基因治疗一直采用病毒载体来传递治疗基因。然而，分子和细胞生物学的最新进展彻底改变了干细胞和基因治疗领域。几年前，临床试验开始使用干细胞替代疗法，诱导多能干细胞 (iPSC) 技术与 CRISPR-Cas9 基因编辑相结合，开启了神经系统疾病基因治疗的新时代。在这里，我们总结了该研究领域的最新发现并讨论了它们的临床应用，强调了最近的研究在开发创新干细胞和基因编辑治疗方法方面的相关性。尽管致瘤性和免疫原性是现有的障碍，但我们报告了最近的进展如何解决它们，使工程干细胞移植疗法成为一种现实的选择。
人类诱导性多能干细胞作为疾病建模和药物开发平台——心脏视角
摘要：由于人类与实验动物之间的物种差异，对人类心脏病的病理生理学和细胞对药物的反应的全面了解受到限制。此外，人类心肌细胞 (CM) 的分离很复杂，因为通过活检获得的细胞不会增殖，从而无法为体外临床前研究提供足够数量的细胞。有趣的是，人类诱导多能干细胞 (hiPSC) 的发现开辟了在培养皿中生成和研究心脏病的可能性。重编程和基因组编辑技术相结合可在体外生成广泛的人类心脏病，为阐明基因功能和机制提供了绝佳机会。然而，为了挖掘 hiPSC 衍生的 CM 在药物测试和研究成人心脏病方面的潜在应用，需要对成熟和代谢特征进行全面的功能表征。在本综述中，我们重点介绍了将体细胞重新编程为 hiPSC 的方法，以及克服 hiPSC 衍生 CM 不成熟的解决方案，以模拟成人 CM 的结构和生理特性，从而准确模拟疾病并测试药物安全性。最后，我们讨论了如何改进 CM 的培养、分化和纯化，以获得足够数量的所需类型的 hiPSC 衍生 CM，用于疾病建模和药物开发平台。
利用 CRISPR 在人类诱导性多能干细胞中进行有效的双等位基因标记
注：同源臂位于敲入位点上游和下游约 500–1,000 bp 处。图 1 C 为 SIN3A 示例的供体载体示意图。为选取基因组区域作为同源臂，我们使用 Primer-BLAST ( https://www.ncbi.nlm.nih.gov/tools/primer-blast/ ) 设计了两对引物，分别位于 SIN3A 终止密码子上游 500–1,000 bp 处和下游 500–1,000 bp 处。也可以使用其他程序设计引物。正向和反向引物之间的区域用作同源臂。我们选择 SIN3A 终止密码子上游 501 bp 序列作为左同源臂（图 2 A 和 2B 中的 SIN3A 左），并选择 SIN3A 终止密码子下游 612 bp 序列作为右同源臂（图 2 A 和 2B 中的 SIN3A 右）。
![b“极值图论的一个核心问题是确定给定图 H 在 \xef\xac\x81x 大小的图中诱导副本的最大数量。这个问题最早由 Pippenger 和 Golumbic [13] 研究，近年来已成为广泛研究的主题 [2, 3, 7, 8, 11, 18]。本文重点关注有向图的类似问题。准确地说，设 H 是有向图。有向图 G 中 H 的诱导密度，表示为 i ( H, G )，是 G 中 H 的诱导副本数量除以 | V ( G ) | | V ( H ) | 。对于整数 n ，设 i ( H, n ) 为所有 n 顶点有向图 G 中 i ( H, G ) 的最大值。H 的诱导性定义为为 i ( H ) = lim n \xe2\x86\x92\xe2\x88\x9e i ( H, n )。当 i ( H, n ) 对于 n \xe2\x89\xa5 2 递减时，此极限存在。只有极少数有向图的可诱导性是已知的。一类重要的例子是有向星号。对于非负整数 k 和 \xe2\x84\x93 ，让有向星号 S k,\xe2\x84\x93 为通过对具有 k + \xe2\x84\x93 叶子的星号的边进行有向图，使得中心具有出度 k 和入度 \xe2\x84\x93 。有向星形是所有边都具有相同方向的定向星形，即星形 S k,\xe2\x84\x93 ，使得 k = 0 或 \xe2\x84\x93 = 0。S 2 , 0 和 S 3 , 0 的可诱导性由 Falgas-Ravry 和 Vaughan [5] 确定。为了解决 [5] 中的一个猜想，Huang [10] 扩展了他们的结果，确定了对所有 k \xe2\x89\xa5 2 的 S k, 0 的可诱导性，表明它是通过对入度为 0 的部分进行不平衡的弧爆破而渐近获得的。注意，由于任何有向图的可诱导性等于通过反转所有弧得到的有向图的可诱导性，因此可以考虑有向星号 S k,\xe2\x84\x93 ，使得 k \xe2\x89\xa5 \xe2\x84\x93 。特别地，Huang 的结果还确定了对所有 \xe2\x84\x93 的 S 0 ,\xe2\x84\x93 的可诱导性。 [10] 的结果未涵盖的最小定向星是 S 1 , 1 ，即三个顶点上的有向路径。Thomass\xc2\xb4e [16，猜想 6.32] 猜想 i ( S 1 , 1 ) = 2 / 5，这是通过四个顶点上的有向环的迭代爆炸获得的。](/simg/b\ba28460dd1b06d9996628290aa73355077ae7e14.webp)
b“极值图论的一个核心问题是确定给定图 H 在 \xef\xac\x81x 大小的图中诱导副本的最大数量。这个问题最早由 Pippenger 和 Golumbic [13] 研究，近年来已成为广泛研究的主题 [2, 3, 7, 8, 11, 18]。本文重点关注有向图的类似问题。准确地说，设 H 是有向图。有向图 G 中 H 的诱导密度，表示为 i ( H, G )，是 G 中 H 的诱导副本数量除以 | V ( G ) | | V ( H ) | 。对于整数 n ，设 i ( H, n ) 为所有 n 顶点有向图 G 中 i ( H, G ) 的最大值。H 的诱导性定义为为 i ( H ) = lim n \xe2\x86\x92\xe2\x88\x9e i ( H, n )。当 i ( H, n ) 对于 n \xe2\x89\xa5 2 递减时，此极限存在。只有极少数有向图的可诱导性是已知的。一类重要的例子是有向星号。对于非负整数 k 和 \xe2\x84\x93 ，让有向星号 S k,\xe2\x84\x93 为通过对具有 k + \xe2\x84\x93 叶子的星号的边进行有向图，使得中心具有出度 k 和入度 \xe2\x84\x93 。有向星形是所有边都具有相同方向的定向星形，即星形 S k,\xe2\x84\x93 ，使得 k = 0 或 \xe2\x84\x93 = 0。S 2 , 0 和 S 3 , 0 的可诱导性由 Falgas-Ravry 和 Vaughan [5] 确定。为了解决 [5] 中的一个猜想，Huang [10] 扩展了他们的结果，确定了对所有 k \xe2\x89\xa5 2 的 S k, 0 的可诱导性，表明它是通过对入度为 0 的部分进行不平衡的弧爆破而渐近获得的。注意，由于任何有向图的可诱导性等于通过反转所有弧得到的有向图的可诱导性，因此可以考虑有向星号 S k,\xe2\x84\x93 ，使得 k \xe2\x89\xa5 \xe2\x84\x93 。特别地，Huang 的结果还确定了对所有 \xe2\x84\x93 的 S 0 ,\xe2\x84\x93 的可诱导性。 [10] 的结果未涵盖的最小定向星是 S 1 , 1 ，即三个顶点上的有向路径。Thomass\xc2\xb4e [16，猜想 6.32] 猜想 i ( S 1 , 1 ) = 2 / 5，这是通过四个顶点上的有向环的迭代爆炸获得的。
b“极值图论的一个核心问题是确定给定图 H 在 \xef\xac\x81x 大小的图中诱导副本的最大数量。这个问题最早由 Pippenger 和 Golumbic [13] 研究，近年来已成为广泛研究的主题 [2, 3, 7, 8, 11, 18]。本文重点关注有向图的类似问题。准确地说，设 H 是有向图。有向图 G 中 H 的诱导密度，表示为 i ( H, G )，是 G 中 H 的诱导副本数量除以 | V ( G ) | | V ( H ) | 。对于整数 n ，设 i ( H, n ) 为所有 n 顶点有向图 G 中 i ( H, G ) 的最大值。H 的诱导性定义为为 i ( H ) = lim n \xe2\x86\x92\xe2\x88\x9e i ( H, n )。当 i ( H, n ) 对于 n \xe2\x89\xa5 2 递减时，此极限存在。只有极少数有向图的可诱导性是已知的。一类重要的例子是有向星号。对于非负整数 k 和 \xe2\x84\x93 ，让有向星号 S k,\xe2\x84\x93 为通过对具有 k + \xe2\x84\x93 叶子的星号的边进行有向图，使得中心具有出度 k 和入度 \xe2\x84\x93 。有向星形是所有边都具有相同方向的定向星形，即星形 S k,\xe2\x84\x93 ，使得 k = 0 或 \xe2\x84\x93 = 0。S 2 , 0 和 S 3 , 0 的可诱导性由 Falgas-Ravry 和 Vaughan [5] 确定。为了解决 [5] 中的一个猜想，Huang [10] 扩展了他们的结果，确定了对所有 k \xe2\x89\xa5 2 的 S k, 0 的可诱导性，表明它是通过对入度为 0 的部分进行不平衡的弧爆破而渐近获得的。注意，由于任何有向图的可诱导性等于通过反转所有弧得到的有向图的可诱导性，因此可以考虑有向星号 S k,\xe2\x84\x93 ，使得 k \xe2\x89\xa5 \xe2\x84\x93 。特别地，Huang 的结果还确定了对所有 \xe2\x84\x93 的 S 0 ,\xe2\x84\x93 的可诱导性。 [10] 的结果未涵盖的最小定向星是 S 1 , 1 ，即三个顶点上的有向路径。Thomass\xc2\xb4e [16，猜想 6.32] 猜想 i ( S 1 , 1 ) = 2 / 5，这是通过四个顶点上的有向环的迭代爆炸获得的。
叶酸靶向脂质体制剂可改善甲氨蝶呤对小鼠胶原诱导性关节炎的疗效
摘要：甲氨蝶呤 (MTX) 是治疗类风湿性关节炎 (RA) 的一线疗法，但其使用可能受到副作用（尤其是注射后不适）的限制。当患者不耐受或反应迟钝时，可能需要二线或抗体疗法。叶酸靶向脂质体制剂 MTX (FL-MTX) 对关节炎爪有亲和性，可预防小鼠胶原诱导性关节炎 (CIA) 的发生。我们将药物与脂质的摩尔比优化为 0.15，并证明了这种形式在每周两次腹膜内 (ip) 注射 2 mg/kg MTX 时的治疗效果。这些改进的脂质体在发炎关节中的存在与爪肿胀程度和骨重塑活性成正比。与游离物质相比，FL-MTX 的肝肾消除率较低。 FL-MTX 腹腔注射或皮下注射 (sc) 的效果相同，每周两次 2 mg/kg FL-MTX（药物/脂质 0.15）在降低小鼠 CIA 模型的发病率和肿胀方面与 35 mg/kg MTX（相同途径和时间表）的效果相似或更有效。这些结果表明，FL-MTX 是一种比游离 MTX 治疗更有效的纳米治疗制剂。它对患者的潜在益处可能包括减少治疗频率和降低给定反应的总剂量。
遗传学年度评论诱导性多能干细胞在疾病生物学中的作用及其体外应用的证据
在过去的二十年中，全基因组关联研究已经确定了数千个与人类特征和疾病相关的基因组位点（10）。临床和分子表型分析以及功能分析的同步进展，以及疾病新生物标志物的发现，已经产生了大量表型数据，这些数据具有极大的潜力来改善我们对病理生理过程的理解。然而，我们在理解疾病遗传病因方面的进展仍然异常缓慢。部分原因是大多数与疾病相关的遗传变异都是非编码的。非编码变异被认为不会影响蛋白质功能，而是影响基因调控；也就是说，它们决定基因在何处、何时以及在何种程度上表达。非编码变异的影响可能通过多种分子机制延续，包括可变剪接、染色质可及性和组蛋白修饰。因此，它们与疾病结果的关系尚不清楚。很明显的是，基因失调在疾病中起着核心作用。然而，为了了解疾病的发展和如何治疗它们，我们必须使用适当的工具——模型系统，使我们能够研究与疾病最相关的组织、细胞类型和状态中的基因调控。
诱导性多能干细胞衍生的心肌细胞计算模型，用于 KCNQ1 基因变异的高通量风险分层
在过去十年中，在识别与临床疾病相关的遗传异常方面取得了巨大进展。新的实验平台将遗传变异与细胞和器官行为紊乱以及致心律失常心脏表型出现的潜在机制联系起来。诱导性多能干细胞衍生心肌细胞 (iPSC-CM) 的开发标志着在患者特定背景下研究遗传疾病的重要进展。然而，iPSC-CM 技术的重大局限性尚未得到解决：1) 看似相同的基因型扰动中的表型变异性，2) 低通量电生理测量，以及 3) 不成熟的表型可能会影响转化为成人心脏反应。我们已经开发出一种旨在解决这些问题的计算方法。我们应用了我们最近的 iPSC-CM 计算模型来预测 40 种 KCNQ1 遗传变异的致心律失常风险。将 I Ks 计算模型拟合到每个突变的实验数据，并在 iPSC-CM 模型群中模拟每个突变的影响。使用一组已知临床长 QT 表型的 15 个 KCNQ1 突变测试集，我们开发了一种基于致心律失常标志物对 KCNQ1 突变影响进行分层的方法。我们利用此方法预测其余 25 个临床意义不明的 KCNQ1 突变的严重程度。在突变扰动后，在 iPSC-CM 模型群中观察到了巨大的表型变异性。一个关键的新颖之处是我们报告了个体 KCNQ1 突变模型对成人心室心肌细胞电生理学的影响，从而可以预测突变对整个衰老过程的影响。这是将 iPSC-CM 模型中的预测反应转化为成人心室肌细胞在相同基因突变情况下的预测反应的第一步。总体而言，本研究提出了一种新的计算框架，可作为一种高通量方法，根据表型可变人群中的致心律失常行为来评估基因突变的风险。
使用患者来源的诱导性多能干细胞研究神经精神疾病的机会和局限性
神经精神疾病影响着全球很大一部分人口，迫切需要了解这些毁灭性疾病的发病机制并开发新的和改进的治疗方法。然而，多样化的症状加上复杂的多基因病因，以及人类大脑中与疾病相关的细胞类型的有限获取，是机械疾病研究的主要障碍。传统的动物模型，如啮齿动物，受到大脑发育、结构和功能固有物种差异的限制。人类诱导多能干细胞 (hiPSC) 技术的进步为神经精神疾病的新发现提供了平台。首先，基于 hiPSC 的疾病模型使在分子、细胞和结构层面上对精神疾病进行前所未有的研究成为可能。其次，来自已知遗传、症状和药物反应特征的患者 hiPSC 提供了重现相关细胞类型发病机制的机会，并为了解疾病机制和开发有效治疗方法提供了新方法。第三，基因组编辑技术扩展了 hiPSC 生成模型的潜力，以阐明罕见单基因和复杂多基因精神疾病的遗传基础，并确定基因型和表型之间的因果关系。本文我们回顾了使用各种 hiPSC 衍生模型系统研究精神疾病的机会和局限性。
心脏发育和功能的基于性别的机制：诱导性干细胞衍生型心肌细胞的应用
1不列颠哥伦比亚大学医学系心脏肺创新中心，加拿大温哥华，温哥华，加拿大V6Z 1Y6； hattie02@student.ubc.ca（y.l。）; jeremy.parker@ubc.ca（J.P。）2心血管创新中心，不列颠哥伦比亚大学，加拿大哥伦比亚大学，不列颠哥伦比亚大学心脏病学系； sinasafa@student.ubc.ca 3 Michael Smith Laboratories，生物化学与分子生物学系，不列颠哥伦比亚大学，温哥华，不列颠哥伦比亚省V6T 1Z4，加拿大； apalumbo507@gmail.com（A.P.）; foster@msl.ubc.ca（L.J.F.）4蒙特利尔心脏研究所研究中心，蒙特利尔大学学院，蒙特尔·阿尔（Montréal），蒙特尔·阿尔（Montréal），QC H1T 1C8，加拿大； celine.fiset@umontreal.ca 5不列颠哥伦比亚大学综合科学系，卑诗省温哥华，卑诗省V6T 1Z2，加拿大； carol530@student.ubc.ca *通信：zlaksman@mail.ubc.ca†这些作者对这项工作也同样贡献。