2.1 诱导性多能干细胞研究历史 诱导性多能干细胞在细胞形态、生长特性、干细胞标志物表达等方面与胚胎干细胞非常相似。胚胎干细胞来源于哺乳动物胚泡内细胞团，保持着细胞的多能性同时能非定向地分化成为3个胚层的多种细胞
[17]。胚胎干细胞曾经应用于一些疾病的治疗
[18]，如帕金森病
[19]、心脏病
[20]、糖尿病等
[21]，但由于胚胎干细胞来源于人类胚胎，临床上的使用伴随着伦理学及异体细胞移植带来的排斥反应等问题，而避免这些问题的最佳方法就是寻找到一种从患者自身细胞出发的途径。
2.1.1 生物重编程 克隆技术的发展告诉了人们，将分化成熟的体细胞核通过核移植技术转移至卵母细胞中，可以使细胞核重编程为未分化状态
[22]。Cowan等
[23]及Tada等
[24]相继利用细胞融合技术将成年人体细胞与胚胎干细胞融合，成功将成年人体细胞重编程为具有多能分化能力的干细胞。以上各种成就给科学家们一种启示：未受精的卵细胞或胚胎干细胞内可能含有某些细胞因子，可以使分化成熟的细胞重新获得并维持多能分化特性，因此才有了对于细胞因子的探索及Yamanaka、Thomson等人的重大成功，从此诱导性多能干细胞的研究迈入了一个蓬勃发展的阶段。随后陆续报道了多种诱导性多能干细胞的获取新方法，如合成mRNA法
[25-26]、重组蛋白法
[27]，但绝大多数获取都是通过潜在有害性的反转录病毒或慢病毒载体整合的方法，存在改变内源性基因序列的问题，为了克服这种安全问题，Stadtfeld等
[28]科学家提出了非反转录病毒整合性方法，如腺病毒载体。而进一步的研究指出，自杀基因的应用是制备诱导性多能干细胞的理想方法
[29]，Cheng等
[30]通过插入删减过的单纯疱疹病毒deltaTK基因，成功地在不影响诱导性多能干细胞多能分化及自我更新能力的情况下，敲除了其中不稳定的deltaTK基因。Chen等[31]团队则发现带有deltaTK及CodA的诱导性多能干细胞，在EF1-α及Nanog启动子的控制下，可以更有效地清除未分化细胞，这样可显著地减少畸胎瘤形成的风险。但以上各种方法都属于生物合成诱导性多能干细胞方法，仍未能克服制备效率较低、因制备方法不同而造成的细胞分化潜能欠均一等缺点。
2.1.2 理化诱导 早在2006年，Chen等
[32]已经通过筛选小分子化合物发现一种具有维持小鼠胚胎干细胞全能性的嘧啶类化合物，并将其命名为“Pluripotin”， 2013年，Li等
[33]进一步使用高通量筛选，从上万种小分子化合物中鉴定出一种由7种小分子化合物组成的组合，此组合能够让小鼠体细胞产生多能性干细胞，制备效率与基因整合技术相当，约为0.2%。随后，Hou等
[34]筛选出另外7种小分子化合物组合同样可以高效地诱导小鼠体细胞产生多能性干细胞，他们将这种多能性干细胞称作化学诱导多能干细胞。
2.2 诱导性多能干细胞生物学特性 各项研究表明，在特定的基因或蛋白表达形式、倍增时间、染色体甲基化形式、胚状体形成、畸胎瘤形成、多能性及分化能力等方面，诱导性多能干细胞与胚胎干细胞在许多方面有着诸多相似之处
[35-36]。
2.2.1 表面标记 诱导性多能干细胞表达包括SSEA-3、SSEA-4、肿瘤相关抗原(TRA-1-60、TRA-1-81、TRA-2-49/6E)以及NANOG蛋白在内的胚胎干细胞特异性表面抗原
[2，37-39]。荧光定量PCR检测表明诱导性多能干细胞表达多种未分化胚胎干细胞标志基因，如：OCT3/4，SOX2，NANOG，生长分化因子3(GDF3)，下调因子1(REX1)，成纤维生长因子4(FGF4)，胚胎细胞特异性基因1(ESG1)，多能相关基因2(DPPA2)，多能相关基因4(DPPA4)等，相应基因的表达蛋白产物也与胚胎干细胞有着高度的一致性
[1，40-42]。
2.2.2 多分化潜能 此外，诱导性多能干细胞表现出很高的端粒酶活性，由此检测出的倍增时间与既往报道的胚胎干细胞倍增时间相当
[43-44]。悬浮培养条件下胚状体形成能力是检验诱导性多能干细胞分化能力的重要指标
[45-46]，诱导性多能干细胞也表现出了与胚胎干细胞相当的分化水平，进一步的小鼠畸胎瘤形成实验也证实了诱导性多能干细胞具有向三胚层分化的潜能
[47-50]。
2.3 诱导性多能干细胞在骨科组织修复领域研究进展 骨缺损是目前骨科面临的巨大挑战之一
[51-53]，骨组织工程基于种子细胞、支架材料、诱导成骨的细胞因子3大因素，目前骨组织工程最常用的种子细胞是人骨髓间充质干细胞，但随着年龄增长、骨质疏松、风湿性关节炎等发生，其更新及增殖能力会逐渐下降，由此造成相当大部分患者无法获得自体骨髓间充质干细胞的供给
[54-57]。诱导性多能干细胞的诸多优点使其具有替代骨髓间充质干细胞成为骨组织工程新型种子细胞的巨大潜力。
2.3.1 诱导性多能干细胞的成骨诱导
未分化诱导性多能干细胞的培养：利用新鲜分离的鼠胚胎成纤维细胞作为滋养层细胞，未分化的诱导性多能干细胞培养在特定的细胞培养液中，细胞培养液成分配比不尽相同，主要成分基本包括培养基、体积分数为15%胎牛血清、谷氨酸盐、抗生素、非必需氨基酸、β-巯基乙醇、白细胞抑制因子。培养传3代(约1周)后的诱导性多能干细胞即可收集备用
[35，58-61]。
胚状体的形成：将备用细胞转移至胚状体形成培养液中利用悬滴法培养，此时培养液主要包括培养基、体积分数为20%胎牛血清、1 mmol/L左旋谷酰胺、1%非必需氨基酸、100 mmol β-巯基乙醇，胚状体形成约需10 d
[62-65]。同时有研究表明，体外培养诱导性多能干细胞向成骨诱导可跳过胚状体形成这一步骤，这一发现说明胚状体形成在诱导性多能干细胞成骨诱导过程中并不是必不可少的，这将极大地提高诱导性多能干细胞用于骨组织工程的效率
[66-68]。
成骨诱导：胚状体制成细胞悬液后转移至明胶镀膜预处理后的培养板中，利用成骨培养液继续培养，成骨培养液主要成分为维生素C、地塞米松、1，25-二羟维生素D3及β-甘油磷酸酯等，整个成骨诱导需要三四周
[69-71]。2010年，Kao等
[72]发现白藜芦醇能通过增加钙沉积，上调成骨标记物如Runx2、骨调素(OPN)、骨唾液蛋白(BSP)及减小弹性系数等作用促进诱导性多能干细胞的成骨分化，且白藜芦醇还能起到一定的对抗地塞米松诱导细胞凋亡的效果。后续的裸鼠动物实验还证明了白藜芦醇促进成骨分化的同时还能抑制畸胎瘤形成，这是首个阐明活体内诱导性多能干细胞成骨分化潜能的研究。
2.3.2 诱导性多能干细胞在骨、软骨、肌腱组织修复中的研究进展
骨组织修复：Ye等
[59]研究团队把SATB2诱导的诱导性多能干细胞种植到一种直径约4 mm，厚度为2 mm的盘状亲水性的丝心蛋白支架中，在体外培养条件下获得良好的多向分化潜能，用于修复成年小鼠标准颅骨缺损，5周后检测新生骨形成区域，SATB2诱导的诱导性多能干细胞移植组为(59.58±7.00)%，而单纯支架组仅为(3.43±1.12)%。Ardeshirylajimi等
[69]则利用血浆预处理的静电纺丝制作支架，种植诱导性多能干细胞用以修复大鼠颅骨标准骨缺损(8 mm)，其在体外实验中，碱性磷酸酶活性、钙盐沉积等指标均高于对照组，而在体内动物实验中，通过组织学、影像学等检查同样得出了具有统计学差异的结果，在新生骨及矿化骨面积上，实验组均优于其余对照组，且实验过程中动物未发生明显并发症或致死情况。Hynes等
[73]则使用溴脱氧尿嘧啶示踪的人包皮来源诱导性多能干细胞，并将其诱导为间充质干细胞，用以修复无胸腺小鼠的牙槽下颌骨标准骨缺损(约为2 mm×3 mm)，诱导性多能干细胞-间充质干细胞移植前未进行其他特定分化诱导，也未使用特定的材料支架，仅用凝血因子预处理，2周后处死实验动物后，免疫染色提示诱导性多能干细胞出现在新生的纤维组织、矿化组织及牙周膜样组织，实验组骨缺损全长填充了大量新生矿化组织，相比之下，对照组只获得了少量新生组织，并且仅仅局限在缺损的边缘。经测定实验组新生骨组织/总缺损面积大于对照组，差异有显著性意义。Tang等
[35]及Liu等
[74]团队则利用成人骨髓CD34
+细胞来源的诱导性多能干细胞及新型生物功能化磷酸钙骨水泥支架构建骨组织修复材料，体外实验中各项成骨检测都表现出了极富研究前景的结果。
更多的相关研究不再赘述，以上研究表明诱导性多能干细胞在骨组织修复工程中表现出了相当有应用前景的优势，诱导性多能干细胞与各种支架材料都有着良好的相容性，在不同的支架中都保持着良好的成骨分化的潜能。
软骨组织修复：目前诱导性多能干细胞在组织工程中骨组织修复方面研究报道居多，软骨组织修复方面相对较少，但是现有的研究表明诱导性多能干细胞在软骨组织修复领域也有着可深入挖掘的潜力
[75-77]。Saito等
[78]从Col2a1-EGFP转基因小鼠体内提取胚胎成纤维细胞，用经典反转录病毒载体方法重编程为诱导性多能干细胞，利用免疫荧光技术实现了实时监测软骨形成分化，并确认TD-198946，insulin，骨形态发生蛋白2(BMP-2)及转化生长因子β1(TGF-β1)为有效的促软骨形成因子。Johnson等
[79]对间充质干细胞进行了一个化学筛检并发现一个叫做kartogenin的小分子，它可诱使间充质干细胞转变成为软骨细胞而促进软骨的产生。当给有骨关节炎样症状的小鼠局部给予kartogenin，可触发其体内的软骨发育。该分子是通过中断细丝蛋白A和CBF beta这两个蛋白之间的相互作用而起作用的，而其结果是该分子控制了在肌肉骨骼发育中起到关键性作用的一个蛋白家族的表达。此外Yano等
[80]还发表了针对Runx1的靶向药的相关报道。
虽然软骨再生方面的各种检测技术、小分子化合物等逐步被发现，然而能有效地将诱导性多能干细胞诱导软骨分化并实现临床应用的方法尚未被建立起来。考虑到诱导性多能干细胞具有与骨髓间充质干细胞相当的多能分化能力，可替代间充质干细胞成为组织工程理想的种子细胞，随着社会老龄化的加重，骨性关节炎发病率的上升，软骨再生将在组织工程中居于越来越重要的地位。
肌腱修复：在肌腱撕裂、损伤领域，干细胞研究报道极少且局限于体外及动物实验
[81-82]，既往研究表明，人胚胎干细胞来源的间充质干细胞经过纤维蛋白凝胶预处理后，可用于修复大鼠髌腱缺损(1 mm×4 mm)，且无论在结构上还是功能上都能显著提高肌腱的修复效率
[83]。另外许多研究也提供了利用胚胎干细胞修复缺损肌腱组织的可能性
[84-88]，但是诱导性多能干细胞是否能替代胚胎干细胞在肌腱修复领域的角色及何时能用于临床应用，始终是个未知数。
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