从一份细胞样本到精准疾病模型：iPSC构建、基因编辑鉴定全流程解析
引言
从细胞起点出发，构建更精准的人源疾病模型。做疾病研究或药物筛选时，你有没有遇到过这样的难题——动物模型和人的差距太大，传统细胞系又"千人一面"，根本体现不出患者真实的遗传背景。想研究某个突变到底怎么致病，却苦于没有合适的"人源模型"？
这时候，iPSC（诱导多能干细胞）技术就派上用场了。它能在保留患者遗传背景的前提下，构建出可稳定扩增、可定向分化、还能模拟疾病特征的人源细胞模型，可广泛用于：疾病发生机制研究、药物筛选与评价、药物作用机制解析、毒性和安全性研究。
但真正"好用"的一株iPSC，远不只是拿到一个"多能性细胞"那么简单。从体细胞来源、重编程建系，到基因精准编辑、遗传稳定性分析、功能验证——每一个环节，都决定着最终模型的可靠性。
今天我们就把iPSC细胞株构建的全流程拆开讲清楚。
一、从体细胞到iPSC：建立人源化模型的第一步
iPSC技术的核心是通过重编程过程，使已经分化的体细胞重新获得类似胚胎干细胞的多能性。2006年，山中伸弥团队发现通过导入OCT4、SOX2、KLF4和c-MYC四个经典重编程因子，可以将成熟体细胞诱导成为具有多向分化潜能的iPSC。这一技术使研究人员能够从人体来源细胞出发，建立稳定的iPSC细胞株，进而诱导分化获得目标功能细胞。
iPSC构建通常从供体来源体细胞开始。常见来源包括外周血单核细胞（PBMC）、成纤维细胞（Fibroblast）等。不同来源的细胞在获取难度、扩增能力和重编程效率等方面存在差异，因此需要根据研究目的选择合适的起始体细胞。
经过重编程诱导后，体细胞逐渐发生形态变化。典型iPSC细胞表现为紧密排列的细胞克隆、边界清晰、核质比高和稳定的增殖能力。随后，通过克隆筛选、扩增培养和冻存管理，建立稳定iPSC细胞库。
诱导第23天明场图片
二、基因编辑：让iPSC具备精准疾病特征
如果说iPSC提供了“人源化细胞背景”，那么基因编辑技术则进一步帮助研究人员构建更加精准的疾病模型。利用CRISPR/Cas9等基因编辑技术，可以在iPSC基因组中进行定向修改，如引入疾病相关突变、修复致病变异、构建报告基因系统以及调控关键基因表达等。这些技术都使iPSC从一个通用研究工具，转变为具有明确研究目的的功能模型。
1. 构建疾病突变模型
许多疾病与特定遗传变异密切相关。例如：神经退行性疾病与APP突变、APOE4等位基因以及LRRK2 G2019S突变等有关；代谢疾病与PCSK9、HNF1A、GCK等基因变异相关；在肿瘤研究中，还可引入TP53或KRAS等突变。通过基因编辑，可以将这些突变精准引入健康iPSC中，构建疾病突变模型。
构建疾病突变模型示意图
2. 建立同基因背景对照模型
在疾病机制研究中，一个重要问题是：观察到的疾病表型是否真正由目标突变导致？iPSC结合基因编辑，可以建立理想的同基因背景模型。例如，从患者来源iPSC出发，通过CRISPR修复突变获得基因修复细胞，再与原始疾病细胞进行比较。由于两者遗传背景高度一致，仅目标位点存在差异，因此能够更加准确地解析基因与疾病表型之间的关系。
3. 构建功能型报告细胞株
除了疾病模型，基因编辑iPSC还可以用于建立功能筛选工具，如GFP报告系统、Luciferase报告系统或特定蛋白标签敲入等。这些功能型报告细胞株能够用于信号通路研究、药物筛选和药效评价，从而提高研究效率和实验可重复性。
构建功能型报告细胞株示意图
三、全面鉴定：保障iPSC模型质量的关键环节
对于药物研发而言，模型质量直接影响实验结果。一株高质量iPSC细胞系需要经过系统性的质量评价。
1. 多能性鉴定
iPSC最核心的特征是保持多向分化能力。常用检测指标包括多能性转录因子（OCT4、SOX2、NANOG）和表面标志物（TRA-1-60、SSEA4），通过免疫荧光、流式检测等方式确认细胞多能性状态。
通过免疫荧光法检测多能性标志基因
2. 基因组稳定性评价
长期培养和基因编辑可能影响细胞遗传稳定性。因此需要进行核型分析和SNP分析等，以确保细胞株保持稳定遗传背景。对于编辑后的iPSC，还需确认目标位点是否正确修改、是否存在非预期编辑或潜在脱靶风险等，常用检测方法包括PCR、Sanger测序和NGS测序。
3. 分化能力验证
验证iPSC是否具备真正的多向分化潜能，是多能性鉴定的核心环节。体外可通过拟胚体（EB）形成实验，检测其能否自发分化为外胚层、中胚层和内胚层来源的细胞；体内则以畸胎瘤形成实验为金标准，确认iPSC在免疫缺陷小鼠体内能够发育为包含三胚层组织的肿瘤。
在此基础上，针对具体疾病模型的应用需求，还需验证iPSC能否高效定向分化为目标功能细胞。例如，神经疾病模型需验证向神经元的分化效率，心血管疾病模型需验证向心肌细胞的分化能力，并通过相应功能标志物检测确认细胞成熟度。只有同时具备广泛分化潜能和稳定定向分化能力的iPSC，才能真正用于后续的疾病机制研究和药物评价。
四、从iPSC模型到药物研发应用
近年来，患者来源iPSC已经广泛应用于遗传疾病和复杂疾病研究。通过将患者体细胞重编程为iPSC，并诱导分化为疾病相关细胞类型，研究人员能够在人体细胞背景下观察疾病相关表型，解析关键分子机制。例如，在神经退行性疾病研究中，携带APP、LRRK2等疾病相关突变的患者来源iPSC可进一步分化为神经元，用于研究蛋白异常聚集、神经功能障碍以及细胞死亡等疾病过程。相比传统动物模型，iPSC来源疾病模型能够更好地保留患者特异性遗传信息，为疾病机制研究提供更加精准的研究体系[1,2]。
在药物研发领域，iPSC来源细胞正在成为连接基础研究与药物筛选的重要工具。基于疾病相关iPSC模型，研究人员可以开展候选药物筛选、药效评价以及安全性研究。例如，利用患者来源神经元模型，可以评价药物对于疾病相关表型的改善作用；利用iPSC来源心肌细胞和肝细胞，则可以用于药物心脏毒性和肝毒性的早期评估。相比传统细胞系，iPSC来源功能细胞能够提供更加接近人体状态的药物响应信息，有助于提高早期研发阶段的预测能力[3]。
随着药物研发进入数据驱动时代，iPSC模型也正在与多组学和人工智能分析技术深度结合。通过转录组（Transcriptomics）、蛋白组（Proteomics）等技术，可以从分子层面解析疾病状态和药物作用机制；结合Cell Painting等高内涵表型分析技术，则能够从细胞形态和细胞器变化角度获得更加全面的药物响应信息。例如，Cell Painting通过多通道荧光染色和自动化成像，可以提取数千个细胞形态特征，并结合机器学习方法用于药物作用机制分析和表型筛选[4]。进一步结合药物扰动组学（Drug Perturbation Profiling），研究人员可以系统分析不同化合物作用下细胞状态变化，建立“药物—细胞表型—分子机制”的关联图谱[5]。这种以高质量人源细胞模型为基础、结合多维实验数据和智能分析方法的研发模式，有望推动药物发现从单一指标评价向系统性表型解析转变。
因此，未来具有研发价值的iPSC平台，不仅需要完成细胞株构建和基因编辑，更需要建立从模型开发、质量鉴定，到多组学分析和药物评价的一体化能力。通过iPSC与基因编辑、高内涵成像、多组学及人工智能技术的结合，可以进一步提升疾病模型的精准性，加速新药发现和开发进程。
五、构建高质量iPSC模型，需要完整技术体系
从一个体细胞样本，到最终可用于药物研发的人源疾病模型，这一过程需要覆盖完整的技术流程。我们建立了覆盖细胞来源与iPSC构建、基因编辑、全面质量鉴定以及下游应用开发的完整技术体系。
高质量iPSC模型正在成为连接基础研究与药物研发的重要工具。从供体来源的细胞开始，通过重编程建立iPSC，再结合基因编辑和全面鉴定，研究人员可以获得更加精准、稳定、可重复的人源疾病模型。未来，随着iPSC技术与高内涵成像、多组学分析以及人工智能技术进一步融合，基于人源细胞模型的新药研发模式将不断拓展。从一份细胞样本，到一株精准编辑的iPSC细胞系，再到可用于药物研发的功能模型，每一步都决定着研究价值的最终实现。
参
考
文
献
1.Takahashi K, et al. Induction of pluripotent stem cells from adult human fibroblasts by defined factors. Cell. 2007.
2.Shi Y, et al. Induced pluripotent stem cell technology: a decade of progress. Nature Reviews Drug Discovery. 2017.
3.Avior Y, Sagi I, Benvenisty N. Pluripotent stem cells in disease modelling and drug discovery. Nature Reviews Molecular Cell Biology. 2016.
4.Bray MA, et al. Cell Painting, a high-content image-based assay for morphological profiling. Nature Protocols. 2016.
5.Chandrasekaran SN, et al. Three million images and morphological profiles of cells treated with matched chemical and genetic perturbations. Nature Methods. 2024.
联系我们
邮箱：xrzs-cx@xremed.com
官网：www.xremed.com
手机/微信：18936040318（微信昵称：昕小瑞）
关于昕瑞再生
昕瑞再生创始人兼首席科学家赵扬，北京大学临床医学高等研究院研究员，博士生导师，他曾是邓宏魁院士的学生和助理研究员，是当年世界上第一个利用小分子化合物将小鼠成纤维细胞诱导成iPS的Science文章共同通讯作者。赵扬老师成立自己实验室后继续深耕人iPS细胞分化和重编程方向，并成立了南京昕瑞再生医药科技有限公司。
南京昕瑞再生医药科技有限公司成立于2019年，先后获中科创星、红杉资本两轮融资，依托北京大学分子医学南京转化研究院软硬件支持。公司核心团队源自北京大学，承载创始团队在干细胞、再生医学及小分子创新药领域20余年经验，搭建了世界领先的细胞表型药筛平台——整合细胞疾病模型、表型组学定量、AI技术，聚焦"细胞疾病/衰老表型逆转"研发新药。
公司拥有自主知识产权的DRUG-seq2、PHDs-seq高通量测序技术，已在早期药物开发、靶点发现、人工智能大模型建立等场景见效，既服务自研项目，也为科研领域提供高质量技术解决方案。
