體外疾病建模
體外疾病建模是指利用攜帶疾病基因的患者體細(xì)胞在體外制備出疾病特異性的誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPSC），然后通過(guò)將這些iPSC分化為與疾病相關(guān)的功能細(xì)胞，如神經(jīng)細(xì)胞等，在培養(yǎng)皿中再現(xiàn)該疾病的基因型和表型特征，進(jìn)而研究這些疾病的發(fā)生機(jī)理，為尋找有效的治療方案、開(kāi)發(fā)新的治療藥物提供新思路。
疾病特異性iPSC細(xì)胞系的應(yīng)用
由于可用于實(shí)驗(yàn)的人體細(xì)胞的稀缺性和個(gè)體之間的差異性，世界范圍內(nèi)藥物的開(kāi)發(fā)和測(cè)試主要依賴(lài)于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和癌變細(xì)胞株以及有限的遺體捐獻(xiàn)細(xì)胞，這種模式直接導(dǎo)致了新藥開(kāi)發(fā)在臨床試驗(yàn)階段的高失敗率。iPSC技術(shù)的出現(xiàn)使得各種人體細(xì)胞的工業(yè)化生產(chǎn)成為可能，建立一個(gè)包含多種疾病類(lèi)型尤其有遺傳因素疾病的iPSC細(xì)胞庫(kù)，并分化為各種功能缺陷或病變的功能細(xì)胞類(lèi)型，將大大提升新藥開(kāi)發(fā)的效率并且大幅度降低研發(fā)成本。
自2008年以來(lái)，關(guān)于疾病特異性iPSC細(xì)胞系的研究越來(lái)越多，涉及神經(jīng)組織、血液、心臟、胰島、肝臟等多種人體組織器官的遺傳疾病。涵蓋的疾病類(lèi)型包括肌萎縮側(cè)索硬化（ALS）、脊髓性肌萎縮癥（SMA）、帕金森?。≒D）、亨廷頓舞蹈癥（HD）、精神分裂癥、早年衰老綜合癥、范可尼貧血、家族性自主神經(jīng)失調(diào)綜合征、I型糖尿病、先天性角化不全癥、肝臟代謝疾病等。
應(yīng)用范圍
（1）新藥篩選
通過(guò)制備患者來(lái)源的疾病特異性iPSC細(xì)胞系，然后將這些iPSC分化為與疾病相關(guān)的功能細(xì)胞，可以更直觀更容易的反應(yīng)疾病的病理生理情況，對(duì)于藥物篩選十分有利。大規(guī)模藥物篩選通常需要很多細(xì)胞，因?yàn)閕PSC可以在體外無(wú)限增殖，所以疾病特異性iPSC及其分化的成體功能細(xì)胞是可以無(wú)限提供的，并且產(chǎn)業(yè)化制備可以保證細(xì)胞批次間質(zhì)量的一致性和穩(wěn)定性。
（2）藥物安全性評(píng)估
使用iPSC模擬臨床I期試驗(yàn)在體外測(cè)試藥物的毒性反應(yīng)，部分替代目前的臨床I期試驗(yàn)直接在正常人體身上的測(cè)試，從而避免臨床I期階段的藥物毒性對(duì)患者的傷害，大大提升了對(duì)受試者權(quán)益的保護(hù)。
（3）疾病病理機(jī)制研究
疾病特異性iPSC在體外分化成人體功能細(xì)胞的過(guò)程可以很好的再現(xiàn)疾病的發(fā)生過(guò)程，對(duì)研究疾病的演變?nèi)缟窠?jīng)病變性疾病和神經(jīng)發(fā)育異常疾病的發(fā)展過(guò)程和研發(fā)早期疾病預(yù)防、干預(yù)手段尤為有利。
（4）基因治療
使用基因編輯技術(shù)，研究者可以對(duì)攜帶基因缺陷的疾病模型iPSC進(jìn)行基因修正，或者將具有治療作用的基因植入iPSC中，以達(dá)到治療目的。
應(yīng)用實(shí)例
（1）2014年，Harvard大學(xué)Woolf研究團(tuán)隊(duì)在《Cell Reports》期刊上發(fā)表文章，利用特定漸凍癥（ALS）患者的成體細(xì)胞構(gòu)建出了ALS-iPSC體外疾病模型。通過(guò)ALS-iPSC分化得到的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元篩選出Kv7離子通道激活小分子retigabine作為個(gè)性化治療特定ALS患者的對(duì)癥藥物，并獲得美國(guó)FDA綠色通道快速審批應(yīng)用于臨床。
參考文獻(xiàn)：Wainger, B. J. et al. (2014). Intrinsic membrane hyperexcitability of amyotrophic lateral sclerosis patient-derived motor neurons. Cell Reports, 10; 7(1): 1-11.
（2）2009年，俞君英博士所在的研究小組在《自然》期刊上發(fā)表文章，首次利用脊髓性肌肉萎縮癥（SMA）患病兒童的皮膚細(xì)胞構(gòu)建出了SMA-iPSC體外疾病模型。SMA-iPSC分化而來(lái)的神經(jīng)元真實(shí)再現(xiàn)了SMA的表型特征。
參考文獻(xiàn)：Ebert, A. D., Yu, J., et al. (2009). Induced pluripotent stem cells from a spinal muscular atrophy patient. Nature,457(7227), 277-80.
（3）2012年，中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所劉光慧研究員同美國(guó)Salk研究所研究人員一項(xiàng)合作研究成果發(fā)表于《自然》期刊上。他們首次利用iPSC技術(shù)揭示了帕金森氏?。≒D）患者腦內(nèi)神經(jīng)干細(xì)胞隨著衰老過(guò)程而發(fā)生退行性病變的機(jī)制，這一研究成果為診斷、預(yù)防與治療PD提供了新的潛在靶點(diǎn)。
參考文獻(xiàn)： Liu, G. H., Qu, J., et al. (2012). Progressive degeneration of human neural stem cells caused bypathogenic lrrk2. Nature, 491(7425), 6037.
（4）2015年，斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院Joseph Wu的研究團(tuán)隊(duì)在《細(xì)胞-干細(xì)胞》期刊上發(fā)表文章，他們利用家族性擴(kuò)張型心臟?。―CM）患者iPSC來(lái)源的心肌細(xì)胞（iPSC-CMs）構(gòu)建的疾病模型發(fā)現(xiàn)，DCM患者的iPSC-CMs中磷酸二酯酶（PDEs）2A和3A表達(dá)上調(diào)導(dǎo)致β腎上腺素能激動(dòng)劑去甲腎上腺素作用減弱，暗示藥物抑制PDE2A和PDE3A的表達(dá)能夠恢復(fù)DCM患者的心肌細(xì)胞中的β腎上腺素信號(hào)通路，達(dá)到治療DCM疾病的目的。
參考文獻(xiàn)： Wu, H., Lee, J., et al. (2015). Epigenetic regulation of phosphodiesterases 2a and 3a underliescompromised β - adrenergic signaling in an ipsc model of dilated cardiomyopathy. Cell Stem Cell, 17(1), 89.