[发明专利]富勒烯及其衍生物在细胞重编中的应用

说明书

本发明公开了富勒烯及其衍生物在细胞重编程中的应用；包括用于细胞重编程效率的提高、干细胞的自我更新能力的增强、诱导性多能干细胞(induced pluripotent stem cells,iPSCs)的制备、疾病模型构建、药物筛选，以及在细胞重编程领域、再生医学领域、干细胞治疗、相关疾病的治疗和药物制备中的应用。

技术领域

本发明涉及再生医学技术领域，具体涉及提高细胞重编程效率及其增强干细胞自我更新能力领域。

背景技术

干细胞的自我更新和多向分化能力使其在组织器官损伤修复、神经系统疾病治疗、自身免疫性疾病治疗等方面具有重要的应用价值。胚胎干细胞(embryonic stemcells,ESCs)是早期胚胎或者原始性腺中分离出来的一种细胞，可分化为多种类型细胞进而产生各种组织器官。由于牵涉伦理问题，ESCs的应用受到了限制。2006年，ShinyaYamanaka研究小组通过逆转录病毒载体将Oct4、Sox2、Klf4与c-myc(OSKM)四种因子转入小鼠成纤维细胞，成功将其重编程成为具有和ESCs类似功能的诱导性多能干细胞(inducedpluripotent stem cells,iPSCs)，开创了iPSCs研究时代，并因此与John B.Gurdon教授共同获得了2012年诺贝尔生理医学奖。iPSCs为解决干细胞研究相关的伦理等困境提供了一个可替代方法，因此具有更重要的科研价值和更广泛的临床应用前景。目前，iPSCs在再生医学、疾病模型的制作、疾病发生机制的研究、药物筛选等方面均取得了重大进展，且随着iPSCs的研究深入，人们对干细胞自我更新和多能性的调控机制的认知也更加全面，并指导干细胞更高效和更安全的应用。

现今，iPSCs的临床应用仍然面临许多问题，其中iPSCs制备效率低是这一技术应用于生物医学的主要障碍。Kazutoshi Takahashi和Shinya Yamanaka的OSKM四因子重编程方法效率非常低，小鼠成纤维细胞重编程效率仅为0.1％，而人成纤维细胞重编程的效率只有0.01％。因此人们一直致力于寻找新的方法来提高重编程效率，缩短重编程时长，并提高其应用安全性。多种提高iPS诱导效率的方法有助于突破iPS技术应用中遇到的瓶颈。目前人们发现一些小分子化合物，例如表观遗传学调节剂(组蛋白去乙酰化酶抑制剂VPA、G9a组蛋白甲基转移酶抑制剂BIX-01294等)、相关信号通路调节剂(Notch、TGF通路抑制剂等)、iPSCs相关激酶与代谢通路调节剂、维生素C、维持自我更新小分子等，能有效促进细胞重编程进程，提高重编程效率，且大多小分子的使用伴随诱导iPS整个过程。

纳米科学与生物医学的结合已迅速发展成为新的科学研究前沿和热点。由于纳米材料具有很好的可塑性、溶解性、靶向性与生物相容性，且成本更低，因此基于纳米材料开发新的提高重编程效率与安全性的方法逐渐受到人们广泛关注。纳米材料独特的理化性质使其更多的被研究用于靶向和输送载体进而提高iPSCs的安全性，例如用于OSKM四因子输送载体的磷酸钙纳米粒子和G4Arg纳米材料。Daniel Gallego-Perez等人利用纳米技术开发了一种纳米芯片，能结合电场作用将基因转染至体细胞内使其进行重编程。三维培养体系和一定特征的培养基能显著影响重编成过程，而纳米材料在优化三维培养材料和基底材料并提高重编程效率方面具有巨大优势。目前，纳米材料作为一种调节剂用于提高重编程效率的研究还很少。

富勒烯C60在干细胞研究与治疗领域以及细胞重编程领域具有巨大的应用前景。富勒烯C60的超对称结构、丰富的π键电子云等独特的理化性质引起了生物医学领域研究人员的极大兴趣，并开展了大量研究工作。在安全性方面，大量的研究显示富勒烯C60具有很好的生物相容性，能穿过组织屏障并进入细胞，不会引起大鼠体内急性与亚急性毒性，并能逐渐被排出体外。富勒烯C60良好的安全性使其在生物医学领域的潜在应用价值逐渐被发掘，例如癌症治疗、延长小鼠寿命、提高学习与记忆能力、靶向输送等。富勒烯C60在生物体内引发的生物学效应研究对于其在生物医学领域新的功能的开发具有极为重要的指导意义。富勒烯C60引发的生物学过程如细胞内氧自由基调控、抗衰老、细胞自噬等均与细胞重编程以及干细胞生存和分化密切相关。

发明内容