誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞及其轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)的信息分析

王 敏，林 杰，孫長凱，許培揚

2006年小鼠誘導(dǎo)多能干細(xì)胞(induced pluripotent stem cells，iPSCs)的成功獲得以及2007年人類iPSCs的獲得改變了科學(xué)界對于細(xì)胞和機體發(fā)育的理解，并因其在藥物研發(fā)［1］、疾病特異性治療和再生醫(yī)學(xué)應(yīng)用［2］的潛力而得到國際高度重視。英國科學(xué)家約翰·戈登(John B．Gurdon)和日本科學(xué)家山中伸彌(Shinya Yamanaka)由于“成熟細(xì)胞可被重編程恢復(fù)多能性”的研究成果獲得了2012年諾貝爾生理/醫(yī)學(xué)獎。iPSCs已成為國際研究熱點，為較全面的把握國際iPSCs科研動態(tài)，本研究擬采用文獻(xiàn)計量相關(guān)方法，分析iPSCs的時間變化、高產(chǎn)國家和機構(gòu)分布、科研基金資助情況及其熱點領(lǐng)域和轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究等，以期為中國開展相關(guān)研究及政策制定提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 材料

Web of Science(以下簡稱WOS)數(shù)據(jù)庫由湯森路透集團(tuán)開發(fā)，收錄全球8 000多種高質(zhì)量的期刊，共收錄2006年至2013年發(fā)表的題名、關(guān)鍵詞及摘要中涉及“iPSCs”和“體細(xì)胞重編程”相關(guān)方面的研究文獻(xiàn)2 859篇(檢索時間:2013-06-20，限定研究論文、綜述、快訊和編者案)。

臨床試驗數(shù)據(jù)庫(ClinicalTrials)數(shù)據(jù)庫由美國NIH資助開發(fā)，共收錄184個國家臨床試驗147 432項，其中iPSCs相關(guān)研究18項;Cortellis競爭情報數(shù)據(jù)庫是湯森路透集團(tuán)開發(fā)的用于了解新藥研發(fā)及市場情報的數(shù)據(jù)庫，共收錄藥物相關(guān)數(shù)據(jù)52 012條，其中2項iPSCs研究正處于申請臨床試驗階段，1項處于臨床試驗階段。

1.2 方法

采用文獻(xiàn)計量分析方法，利用MS Excel和TDA工具對2 859篇文獻(xiàn)進(jìn)行整理和數(shù)據(jù)清洗，分析iPSCs的時間、國家、機構(gòu)分布及其科研基金資助。利于自然語言處理，提取2 859篇文獻(xiàn)的題名、關(guān)鍵詞和摘要中的高頻詞，利用TDA對提取的相關(guān)詞進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗和共現(xiàn)，采用VOSViewer對56個高頻詞的共現(xiàn)結(jié)果進(jìn)行聚類分析和可視化展示，挖掘iPSCs研究的主要熱點領(lǐng)域。檢索ClinicalTrials和Cortellis競爭情報數(shù)據(jù)庫，分析iPSCs相關(guān)的轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究。

2 結(jié)果

2.1 時間變化

自2006年iPSCs成功誘導(dǎo)后，許多科研機構(gòu)紛紛開展相關(guān)研究。iPSCs研究文獻(xiàn)從2006年的3篇增長到2012年的904篇，截至2013年6月iPSCs文獻(xiàn)量已達(dá)2 859篇，年均增長率達(dá)159%，而同期WOS收錄文獻(xiàn)量年均增長率為4.4%。此外，iPSCs文獻(xiàn)占WOS總文獻(xiàn)量的比例也由2006年的0.03/10 000增加到2012年的6.76/10 000(圖1)。

圖1 2006年至2012年國際iPSCs文獻(xiàn)量的時間變化Fig 1 International papers of iPSCs published from 2006 to 2012

2.2 國家分布

對開展iPSCs研究人員國別進(jìn)行分析，2 859篇文獻(xiàn)共涉及56個國家，主要集中于北美(1 483篇，51.87%)、亞洲(979篇，34.24%)和歐洲(831篇，29.07%)。在發(fā)表文章量排名前10位的國家中(表1)，美國居首位，其發(fā)文量幾乎占到國際iPSCs總文獻(xiàn)量的1/2，中國居第3位，其發(fā)文量約為美國iPSCs發(fā)文量的1/4。

在iPSCs領(lǐng)域，2 859篇文獻(xiàn)共被引用77 605次，篇均被引用次數(shù)27.14。相對優(yōu)勢指數(shù)是各國篇均被引用次數(shù)與國際該領(lǐng)域篇均被引用次數(shù)的比值。從發(fā)表文章量、篇均被引用次數(shù)、相對優(yōu)勢指數(shù)這3個指標(biāo)看，日本、美國均居全球首位。

表1 國際發(fā)表iPSCs文獻(xiàn)數(shù)量排名在前10位的國家Table 1 Top 10 countries in international iPSCs area

對發(fā)表iPSCs文獻(xiàn)的國家科研合作進(jìn)行分析(圖2)，美國、英國和德國位于圖譜中心位置，是iPSCs國際科研合作的主體;日本、中國及西班牙雖然在發(fā)表文章量排名中分別位居第2、第3和第6位，但其位于科研合作圖譜的邊緣位置，科研合作較少。

2.3 機構(gòu)分布

在發(fā)表文章量前20位的機構(gòu)中，9家來自美國，4家來自日本。日本京都大學(xué)在發(fā)表文章量、篇均被引次數(shù)和相對優(yōu)勢指數(shù)方面均位居首位，體現(xiàn)了其在iPSCs領(lǐng)域的霸主地位。中國科學(xué)院和上海交通大學(xué)發(fā)文量排名進(jìn)入全球前20位，但從篇均被引次數(shù)和相對優(yōu)勢指數(shù)看，與國際仍有一定差距(表2)。

表2 國際iPSCs文獻(xiàn)數(shù)量排名前20位的機構(gòu)Table 2 Top 20 institutions in international iPSCs area

圖2 iPSCs國際科研合作圖譜Fig 2 Cooperative network in international iPSCs area

2.4 科研基金資助

各國在iPSCs領(lǐng)域科研資助逐年增加(圖3)。美國國立衛(wèi)生研究院、日本文部科學(xué)省、學(xué)術(shù)振興會、科學(xué)技術(shù)振興機構(gòu)和厚生勞動省、中國國家自然科學(xué)基金、英國醫(yī)學(xué)研究理事會和惠康基金均對其所在國家iPSCs研究提供了較大比重資金支持(表3)。

圖3 國際iPSCs基金資助論文占各年發(fā)文量的比例Fig 3 The percentage of funded papers in international iPSCs area

表3 資助iPSCs發(fā)表文獻(xiàn)排名前10的基金/出資機構(gòu)Table 3 Top 10 foundations/funding agency in international iPSCs Area

2.5 主要熱點研究領(lǐng)域

國際iPSCs研究主要集中在兩大方面(圖4):

一是影響重編程的因素研究(左側(cè)藍(lán)色和黃色主題)。重編程效率不高及其安全性問題是影響iPSCs由基礎(chǔ)向臨床轉(zhuǎn)化的基本要素。為提高轉(zhuǎn)化效率及其安全性，科研人員對iPSCs重編程誘導(dǎo)因子及小分子化合物的選擇(如OCT4、Sox2和TGF-β等)［3］、安全介導(dǎo)載體體系的建立(如質(zhì)粒、慢病毒)、重編程過程中的表觀遺傳學(xué)［4］等開展研究。

圖4 國際iPSCs研究熱點聚類圖Fig 4 Cluster mapping of main research works in international iPSCs area

二是iPSCs應(yīng)用研究(右側(cè)紅色和綠色研究主題)。iPSCs為藥物研發(fā)提供了重要工具，為再生醫(yī)學(xué)提供了廣闊前景。目前iPSCs疾病應(yīng)用領(lǐng)域主要有神經(jīng)退行性疾病(如阿爾茨海默病、帕金森病、脊髓性肌萎縮癥)、心血管疾病(如心肌梗死、長QT綜合征)以及糖尿病、視網(wǎng)膜病等［2，5］。

2.6 iPSCs轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究

iPSCs轉(zhuǎn)化研究主要集中在藥物研發(fā)和再生醫(yī)學(xué)兩大領(lǐng)域。

2.6.1 藥物研發(fā):藥物研發(fā)的一個關(guān)鍵問題是制作有效疾病模型。傳統(tǒng)制作動物模型一方面建模本身比較困難，同時模型和實際人的疾病也可能相差甚遠(yuǎn)。直接用患者細(xì)胞在體外重編程為疾病特異iPSCs，為藥物篩選和疾病特異性治療提供了重要手段。

目前基于iPSCs已成功建立的疾病模型有神經(jīng)系統(tǒng)疾病(如帕金森病、脊髓性肌萎縮癥、精神分裂癥、Rett綜合征)、心血管系統(tǒng)疾病(如QT綜合征)、遺傳性疾病(如LEOPARD綜合征、Gaucher病、Huntington病、威爾遜病)及其他疾病(如鐮刀型貧血、糖尿病、唐氏綜合征)等［6］。利用 ClinicalTrial數(shù)據(jù)庫分析發(fā)現(xiàn)，國際上已注冊18項與iPSCs有關(guān)的研究，如美國佛羅里達(dá)大學(xué)招募50名高血壓患者，抽取靜脈血轉(zhuǎn)化為心肌和血管細(xì)胞，來研究藥物抗高血壓效果;以色列Hadassah醫(yī)學(xué)機構(gòu)招募120名神經(jīng)疾病患者，利用患者皮膚細(xì)胞轉(zhuǎn)化的iPSCs開展疾病模型和藥物研發(fā)研究。

2012年由10家制藥公司及23家學(xué)術(shù)機構(gòu)聯(lián)合開展、涉及11個國家和地區(qū)的StemBANCC新藥研發(fā)項目啟動。項目為期5年，旨在招募500名患者建立1 500個iPSCs細(xì)胞系，著重開展外周神經(jīng)系統(tǒng)疾病(尤其疼痛)、中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病(癡呆癥)、神經(jīng)功能失調(diào)性疾病(偏頭痛、自閉癥、精神分裂癥、躁郁癥)以及糖尿病的研究，此外還將利用iPSCs尋找藥物靶點和生物標(biāo)記、篩選潛在的治療藥物及開展毒理學(xué)實驗等［7］。

2.6.2 再生醫(yī)學(xué):由于iPSCs可分化為不同功能的細(xì)胞，為再生醫(yī)學(xué)和組織工程應(yīng)用提供了可能。

申請及開展人體臨床試驗的研究。利用Cortellis分析發(fā)現(xiàn)，目前有2項iPSCs研究正處于申請臨床試驗階段，1項處于臨床試驗階段。美國先進(jìn)細(xì)胞科技公司2013年3月向FDA提交臨床試驗申請，擬利用iPSCs產(chǎn)生的血小板來修復(fù)傷口和治療心血管疾病、血小板減少癥;日本京都大學(xué)2013年2月向厚生勞動省提交臨床試驗申請，擬利用患者自體iPSCs產(chǎn)生的多巴胺神經(jīng)元治療帕金森病;2013年6月日本厚生勞動省批準(zhǔn)日本視網(wǎng)膜研究所應(yīng)用患者皮膚細(xì)胞誘導(dǎo)產(chǎn)生的iPSCs轉(zhuǎn)變?yōu)橐暰W(wǎng)膜色素上皮細(xì)胞，來抑制與年齡相關(guān)的黃斑病變。

組織工程研究。2013年7月，日本研究人員利用3種不同的細(xì)胞(肝臟內(nèi)胚層細(xì)胞、間充質(zhì)干細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞)合成了人類三維“肝芽”結(jié)構(gòu)［8］。同年8月，美國研究人員利用人類皮膚細(xì)胞誘導(dǎo)產(chǎn)生的iPSCs轉(zhuǎn)變?yōu)樾难茏婕?xì)胞，并培養(yǎng)出能自發(fā)收縮的人類心臟組織［9］。這些研究代表著人體iPSCs應(yīng)用的新方向，向?qū)で笾圃炜梢浦驳钠鞴俑~進(jìn)了一步。

3 討論

近年來，干細(xì)胞生物學(xué)及其臨床應(yīng)用研究領(lǐng)域已取得巨大進(jìn)步，iPSCs誘導(dǎo)轉(zhuǎn)化及其相關(guān)應(yīng)用研究已成為全球關(guān)注的焦點。尤其2007年美國、日本科學(xué)家先后利用人成纖維細(xì)胞獲得iPSCs［10－11］，成功避開胚胎干細(xì)胞倫理問題后，全球基金資助發(fā)表文章的比例由2008年的36%上升至2012年的81%。

一個國家發(fā)表文章量反映了其在某領(lǐng)域科研活躍程度，被引用次數(shù)一定程度反映了文獻(xiàn)質(zhì)量及被其他學(xué)者關(guān)注程度，篇均被引用次數(shù)可看出在該領(lǐng)域的整體水平，相對優(yōu)勢指數(shù)可反映各國科研實力與國際平均水平的關(guān)系。從這4個指標(biāo)看，美國、日本在iPSCs領(lǐng)域科研產(chǎn)出及研究水平處于霸主地位。中國在2006年發(fā)布的《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006－2020年)》中提出，“基于干細(xì)胞的人體組織工程技術(shù)”將成為未來15年中國前沿技術(shù)的重點研究領(lǐng)域，目前中國在發(fā)文量方面居全球第3位，但篇均被引用次數(shù)及相對優(yōu)勢指數(shù)低于全球平均水平。

iPSCs由基礎(chǔ)向臨床應(yīng)用轉(zhuǎn)化是其研究的必然方向。目前美國、日本已有正處于申請或批準(zhǔn)開展人體臨床試驗的研究，其中2013年6月日本厚生勞動省批準(zhǔn)的日本視網(wǎng)膜研究所開展的利用患者視網(wǎng)膜色素上皮細(xì)胞來抑制與年齡相關(guān)的黃斑病變研究，是國際上首次將iPSCs應(yīng)用于人體疾病治療的臨床試驗，為iPSCs臨床應(yīng)用開辟了先河。但是需要看到的是，iPSCs的臨床應(yīng)用，首先要解決其安全性問題，需要對其穩(wěn)定性、均一性、致瘤性、毒性和免疫原性等指標(biāo)進(jìn)行一系列標(biāo)準(zhǔn)化的檢測［12］，要解決上述問題，還需不斷積累iPSCs安全性、有效性的臨床前研究數(shù)據(jù)。相信在不久的將來，iPSCs的成功應(yīng)用將對藥物研發(fā)和再生醫(yī)學(xué)產(chǎn)生重大影響。

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