從突破到技術：iPS細胞是如何製造的？

iPS 細胞的製備核心在於「重新編程」，透過山中因子（Oct4、Sox2、Klf4、c-Myc）重啟幹細胞基因網絡，使體細胞恢復多能性。隨著技術演進，基因導入方式從高風險的逆轉錄病毒，逐漸轉向仙臺病毒、質體、mRNA 甚至小分子化合物，安全性與臨床潛力不斷提升。然而，低效率、品質差異、培養依賴異源成分及規模化生產等挑戰，仍是推動 iPS 技術走向臨床的關鍵課題。未來透過轉錄因子優化、小分子輔助、無血清培養及自動化平臺，iPS 技術有望成為再生醫學與藥物開發的核心工具。

撰文｜林泳亨

在上一篇中，我們回顧了iPS細胞的誕生歷程。這項研究不僅顛覆了「細胞命運不可逆」的傳統觀點，也為再生醫學提供了全新的可能性。然而，一項劃時代的發現，往往只是開端。要讓iPSC技術真正應用於疾病研究、藥物開發或臨床治療，關鍵在於如何將這項技術從實驗室的「突破」，技轉為穩定、安全且具可擴展性的「平臺」。本篇將從分子機制到實際操作介紹目前主流的iPS細胞製備技術，並探討技術演進背後的挑戰。

重啟基因網絡：iPS細胞製備的關鍵因子

iPS細胞的製備核心在於「重新編程」(reprogramming)，也就是將體細胞誘導回到多功能狀態的幹細胞。這一過程依賴特定轉錄因子的導入，以啟動幹細胞相關基因的表現，抑制體細胞基因，進而改變細胞命運。

山中伸彌在2006年確立了四個關鍵轉錄因子：Oct4、Sox2、Klf4和c-Myc。這些因子各自具備不同的功能：Oct4與Sox2能活化幹細胞特異性基因並抑制分化路徑，是幹細胞狀態的核心調控因子。Klf4則協助細胞在重新編程過程中維持穩定狀態，避免凋亡，並促進細胞週期進行。c-Myc能加速細胞增殖並促進染色質鬆弛，提高重新編程效率；然而c-Myc本身為一種致癌基因，因此在臨床應用中受到限制。而在京都大學iPS細胞研究所於2021年的研究中發現可以利用MYCL基因替代c-Myc。研究發現透過MYCL轉染形成的iPSC細胞增殖率較小，除了降低致癌的可能性，同時也提升了重新編程的效率。透過這些因子的共同作用，協同調整轉錄網絡與表觀遺傳標記，使體細胞逐步喪失原有特性，並啟動幹細胞基因表現，最終轉化為iPS細胞。

重新編程的過程大致可分為兩個階段。在起始階段，轉錄因子開始干擾原有基因表達，體細胞基因逐步被抑制，而與多功能性相關的基因則逐漸啟動，此時細胞進入一個不穩定的中間狀態，呈現出部分幹細胞特徵。若細胞順利通過此階段，便會進入穩定階段，在這一階段中，核心幹細胞基因的表現被全面激活，並伴隨 DNA 去甲基化、組蛋白修飾變化等表觀遺傳重塑，細胞在功能與分子標記上逐步趨近於胚胎幹細胞。由於這一過程的效率普遍偏低（往往低於0.1%），且需時數週至數月，因此如何提升效率與穩定性成為後續技術改良的關鍵。近期 ChatGPT 的原生公司 OpenAI 與 Retro Biosciences 合作，利用一款專門設計的小型 AI 模型 GPT-4b micro，在蛋白質工程上成功設計出新的山中因子變體。實驗顯示，這些變體能讓細胞重編程效率提升超過 50 倍，並增強 DNA 損傷修復能力，所產生的 iPSC 也具備多能性與基因組穩定性。

從病毒到小分子：重新編程技術的演進

在了解轉錄因子如何誘導體細胞產生 iPS 細胞之後，下一個要思考的問題便是：如何將這些轉錄因子導入細胞。早期的 iPS 細胞製備多依賴病毒載體來輸入轉錄因子，雖然效率高，但因涉及基因整合而存在潛在致癌風險，因此推動科學家積極尋找更安全的替代方案。最初使用的逆轉錄病毒能有效地將基因整合至細胞基因組，確保重編程因子的長期表達，但由於整合位置隨機，可能引發插入突變或癌基因活化。後續的慢病毒系統雖仍具有整合風險，但相對較低，並可設計為可移除式系統，以提升安全性。為了進一步降低風險，研究者又開發了仙臺病毒系統。仙臺病毒是一種不整合入基因組的 RNA 病毒，轉錄因子僅存在於細胞質中，隨著重編程完成會自然消失，因此被視為目前最具臨床應用潛力的病毒選項。

除了病毒載體之外，非病毒載體技術逐漸受到青睞。其中，附加型質體是一種不會整合入基因組的環狀DNA，能在細胞中短暫存在，重新編程完成後自然被稀釋或分解。這類質體因安全性高而廣泛應用於臨床等級的 iPS 細胞製備。另有轉座子系統，雖然會短暫整合基因至染色體中，但可透過酶移除，大幅降低長期風險。此外，mRNA 導入法則以瞬時表達方式實現重新編程，不僅完全不涉及基因組修改，且能藉由重複施打達到所需表現量，是一種高度安全但操作上較繁瑣的方法。

除了基因導入方法外，近期的研究則聚焦於小分子化合物誘導的「化學重新編程」。科學家發現，透過調控細胞內訊號傳導路徑、表觀遺傳酶活性及細胞代謝狀態，部分小分子組合可取代轉錄因子的功能，實現完全不涉及基因改造的 iPSC 製備。這類方法的最大優勢在於安全性高、操作簡便、成本低廉，且有望發展成標準化製程。然而目前在製造效率上仍受到限制，對劑量與時機的控制要求極高，以及是否與利用轉錄因子編成的 iPS 細胞有所異同仍待考證。

優化重新編程平臺的關鍵挑戰

儘管iPS技術已取得長足進展，但要真正進入臨床與產業應用，仍需解決若干核心挑戰。首先是重新編程效率與速度的提升。目前研究聚焦於發掘更有效的轉錄因子組合、添加促進重新編程的小分子以及優化培養條件，以縮短製程時間並提升成功率。其次是品質控制，並非所有iPS細胞都具備等同的分化潛能與基因穩定性，有些可能保留原始體細胞的表觀記憶，或在長期培養中產生突變，因此必須建立一套嚴謹的檢測系統，評估其多功能性、基因組完整性與表觀遺傳狀態。

此外，傳統幹細胞培養往往依賴動物血清或滋養層細胞，這些異源成分帶來免疫風險與不可預測性。開發無血清、成分明確且可自我維持的培養系統，將有助於確保製程標準化與臨床應用安全。隨著臨床需求日增，如何進行 iPSC 的規模化生產也成為當前重要議題。利用自動化設備與生物反應器建立標準化流程，不僅能大幅提升產能，也能確保產品的一致性與可追溯性。特別的是，臺灣在自動化生產領域具有優勢，若能將 iPS 細胞製作與自動化生產結合，將有望達到高效率的大規模製備，成為臺灣在此領域的重要競爭力，為 iPSC 的廣泛應用奠定基礎。

從實驗室到臨床應用的關鍵一哩路

iPSC 技術的發展，從早期的概念性突破，逐漸轉化為一門高度工程化的細胞製造流程。從病毒載體到化學重新編程，每一步技術的演進都反映出對效率、安全與臨床應用的高度重視。而在下一篇中，我們將進一步探討：這些被逆轉命運的細胞，究竟如何被應用於疾病研究、藥物開發以及細胞療法？