由日本iPSC领域的大牛2019年发表在Physiological Reviews上的一篇综述：诱导多能干细胞及其在人类疾病和发育模型中的应用，系统性地梳理了从iPSC的起源到前沿应用的一系列重要事件，是入门了解诱导多能干细胞领域不可不读的文章
Induced Pluripotent Stem Cells and Their Use in Human Models of Disease and Development | Physiological Reviews

以下为III 部分翻译（水平有限，仅供参考）：

---

三、使用源自患者的 iPSC 进行疾病建模

在动物发育研究方面，iPSCs 与 ESCs 有许多相同的好处。同时，它们在医疗应用方面与 ESC 相比具有明显的优势，因为它们可以从患者细胞中制备。 iPSCs 和任何随后衍生的细胞与患者共享相同的基因组，从而提供无法通过其他方式获得的患者体细胞库。患者 iPSC 的发现创造了可用作大量疾病的体外模型的细胞，这些疾病在以前是没有体外模型的（表 3）。

尽管我们在下面描述了许多模型，但将 iPSC 技术应用于疾病研究仍然存在一些限制。限制之一在于获得的体细胞群在成熟度和功能上表现出差异，从而导致实验观察结果的差异。这种变异性甚至适用于从同一个体获得的 iPSC，并妨碍对疾病表型的准确评估。这些变异可能源自克隆间遗传变异 (92)、表观遗传修饰 (152)、iPSC 的来源 (139)、每个 iPSC 克隆中残留转基因的存在，或者在女性病例中X 染色体失活的状态 （200、210)。考虑这些因素会提高质量并扩大基于 iPSC 的疾病模型的数量。

A. 神经疾病

原则上，iPSC 可用于研究任何神经疾病，但我们将注意力集中在三种最常见的疾病上：肌萎缩侧索硬化 (ALS)、阿尔茨海默病 (AD) 和帕金森病 (PD)。因为通过追踪这些受损细胞的发育，研究人员可以识别与家族性病例一致的表型，尽管其分子原因不同。利用从这些研究中获得的信息，未来的治疗策略可以将散发性和家族性患者分为可能对实验药物有积极反应的患者和不会有积极反应的患者（129）。

ALS 的特点是运动神经元的持续死亡，但由于患者在疾病进展后期被诊断出来，因此缺乏ALS 发展的人体模型。巧合的是，第一批中老年疾病患者的人类 iPSC就来自 ALS 患者 (60)。从那时起，已经使用人类 iPSC 模型研究了许多 ALS 突变。我们主要关注Tar DNA 结合蛋白 43 (TDP-43) 的突变，该蛋白构成 ALS 患者死后组织的运动神经元中所见的细胞溶质聚集体。已在 TDP-43 基因中鉴定出 30 多个与 ALS 相关的突变 (137)。我们已经证明，由携带 TDP-43 突变的患者 iPSC 制成的运动神经元会形成典型的死后 ALS 神经元的细胞溶质聚集体 (71)。然而，我们还发现细胞系之间存在许多克隆变异，包括来自同一患者的细胞系，这表明使用 iPSC 模型时需要同基因型（isogenic）的细胞系，如下所述。

在 ALS 患者中常见的另一种突变是在囊泡相关膜蛋白相关蛋白 B (VAPB) 基因中发现的。携带 VAPB 突变的人的 ALS 发病率变化很大，可能是由于细胞内运输的变化 (240)。据报道，与包括从健康 iPSC 分化的运动神经元在内的神经细胞不同，来自突变 iPSC 的那些尽管与对照组共享相同的 mRNA 水平，但并未增加其 VAPB 蛋白水平 (215)。此外，在患者细胞中未观察到细胞质聚集物，表明与涉及 TDP-43 突变的疾病机制不同。在 iPSC 模型中受到关注的另一个基因是 C9ORF72，或者更具体地说是其 GGGGCC 重复序列的扩展 (58, 279)。两项研究揭示了功能获得性毒性，并表明靶向 GGGGCC 重复序列的反义寡核苷酸可以在不降低 C9ORF72 RNA 水平的情况下减轻这些毒性作用 (65, 296)。

最后，超氧化物歧化酶 1 (SOD1) 基因与 ALS 相关。在与携带该基因突变的患者 iPSC 分化的不同神经元中，只有运动神经元显示出细胞质聚集体 (41)。然而，其他细胞中的 SOD1 突变可能对运动神经元产生毒性作用，如死后神经祖细胞产生的星形胶质细胞中所见 (99)。另一方面，Serio 等人(303) 在 iPSC 模型中表明，具有 TDP-43 突变的星形胶质细胞对运动神经元没有细胞毒性作用。这些发现表明，突变可能是选择合适的靶细胞类型进行治疗的决定性因素。

AD的病因归因于两种蛋白质的错误折叠：amyloid-β(Aβ) 和 tau。大多数药物开发都集中在 Aβ或加工成 Aβ 的蛋白质，淀粉样前体蛋白 (APP) (267)。三种分泌酶作用于 APP（α-、β-和 γ-分泌酶）：β-和 γ-分泌酶依次切割 APP，而 α-分泌酶以切割 APP 的方式阻止 Aβ斑块形成 (74)。其他两种蛋白质 prensilin-1 和 -2（分别为 PS1 和 PS2）的突变，它们构成了 γ-分泌酶的催化核心，也受到了关注（340）。

在报道的 AD 人类 iPSC 模型中，Israel 等人（131）从两名具有 APP 基因重复的家族性 AD 患者以及两名散发性 AD 患者和两名健康对照者中产生神经元。家族性患者和一名散发性患者的神经元均显示出明显更高水平的 Aβ、磷酸化 (P-) tau 和能磷酸化 tau的活性糖原合酶激酶-3β（GSK-3β）。该报告还表明，使用 α-分泌酶抑制剂可以降低 tau 水平。重要的是，该研究确定了人体细胞中 APP 蛋白水解加工和 P-tau 之间的明确相关性，这是长期以来的假设，但从未在动物模型中得到证实。后来一项检查来自散发性 AD 患者的 iPSC 衍生神经元的研究发现 tau 和活性 GSK-3β在成纤维细胞中表达可忽略不计，但在分化的神经元中显著上调，显示出异常的 P-tau 聚集体 (118)。图 5A 显示了额颞叶变性 tau 病变（另一种被认为与 tau 聚集相关的神经退行性疾病）的 iPSC 模型图像（128）。

图 5. A：来自健康对照诱导的多能干细胞 (iPSC) 和额颞叶变性 tau蛋白病 (FTLD) 患者 iPSC 的神经元。FTLD 患者 iPSC 衍生的神经元显示出明显更高水平的 tau 聚集（红色），这是 FTLD 的标志。比例尺，10 微米。
B：iPSCs 提供了一个模型，认为 NLRP3 基因的突变是导致慢性婴儿神经皮肤关节 (CINCA) 中出现自身炎症的原因。 CINCA 患者仅在一小部分巨噬细胞中显示出突变，这让人怀疑该基因是否与该综合征有关。从患者身上提取并重编程为 iPSC 的成纤维细胞分化为巨噬细胞时，NLRP3 基因发生突变时比没有突变时显示出更高水平的白细胞介素 (IL)-1β 表达（图中细胞释放的粒子）。

Yagi等人(377)研究了PS1和PS2突变的人iPSC来源的神经元，发现γ-分泌酶抑制剂有效地修复了异常的Aβ水平。Moore等人的研究成果(221)对iPSC来源的神经元中的APP、PS1和PS2突变进行了全面的研究，结果表明，γ-分泌酶抑制降低了P-tau水平，而β-分泌酶抑制实际上增加了它们。同时，他们证明了调节γ-分泌酶活性降低了P-tau水平，这表明了一种替代的治疗策略。我们制备了来自两个家族性患者的iPSC株，以检测两个突变，E693△和V717L，以及来自两个零星病例的细胞系。我们发现了E693△的细胞株和其中一株散发细胞系的神经元中Aβ寡聚体水平升高，但细胞外液中Aβ寡聚体水平不高(163)。此外，这两个品系对二十二碳六烯酸(DHA)的治疗反应积极，为以前关于DHA的报道不一致的原因提供了一些解释。Muratone等人(228)研究了另一种V717突变V717I，发现它通过调节β-和γ-分泌酶活性来影响APP的切割，并且存在一段时间后，P-tau水平对治疗具有很强的抵抗力。换句话说，iPSC模型不仅可以用来预测哪些患者对治疗反应良好，而且还可以预测疾病发展的哪个阶段。事实上，另一项研究发现，分化阶段可能决定三种不同候选化合物的有效性(378)。

不管上述研究获得了什么见解，细胞系之间的遗传和表观遗传学差异，包括来自同一患者的细胞系，都可能会混淆结论。这些变异是神经退行性疾病研究中的关键因素，因为大多数患者年龄较大，因此细胞之间表现出更大的变异性。因此，首选同基因型细胞系作为模型，因为除了研究的突变外，这些细胞株将具有遗传同质性。由于最近基因编辑技术的快速发展，这些品系现在可以相对容易地构建。Woodruff等人(373)利用同基因型细胞系研究了PS1、E9突变，发现它只影响与γ-分泌酶相关的功能，而不影响其他PS1功能。在另一项研究中，Young等人(393)使用来自几个散发性AD患者的同基因型细胞系来研究SORL1基因，其水平调节APP的处理，发现SORL1单倍型决定了细胞对脑源性神经营养因子的反应，因此可以作为散发性AD的预测因子。

一些 PD 研究已经使用同基因型细胞系来研究疾病的发展。 PD 的特征是多巴胺能神经元的显著丧失，并伴有主要由 α-突触核蛋白组成的路易体或路易神经突 (203)。许多与该疾病相关的基因一直是研究的重点，包括编码 α-突触核蛋白的 SNCA； 编码与线粒体功能相关蛋白parkin的PARK2；运输parkin的PINK1；以及LRRK2，这是家族性PD中最常见的突变，具有与散发性PD相似的症状(106,341)。

两项关于三重SNCA的早期iPSC研究发现，与对照组相比，患者来源的多巴胺能神经元中α-突触核蛋白的mRNA和蛋白水平翻了一番(31，59)。然而，这些研究因iPSC系的克隆变异而受阻。Ryan等人(288)建立了同基因型细胞系用于研究SNCA的A53T突变。他们发现，带有该突变的iPSC来源的多巴胺能神经元中的转录因子肌细胞增强因子2C(MEF2C)受到抑制，导致线粒体功能障碍和更高的细胞凋亡率。它们研究也表明作用于相关MEF2C通路的小分子可以改善疾病。

iPSC 模型表明，LRRK2 突变与核膜缺陷相关，损害神经分化，同时增加的 α-突触核蛋白水平和响应氧化应激的基因表达 (184, 236)。另一项研究表明，G2019S 突变影响直接参与多巴胺能神经变性的基因的表达，靶向 ERK 通路可能是一种治疗策略 (277)。 iPSCs 的基因编辑导致分化的细胞不携带受损的线粒体 DNA，从而纠正了疾病 (294)。

最后，由具有 parkin 突变的 PD 患者的 iPSC 制成的多巴胺能神经元表现出更高水平的氧化应激和更多的多巴胺外流，因为细胞显示出多巴胺释放水平增加以及摄取减少 (134)。另一项研究 PINK1 基因的研究发现，这里的突变损害了parkin向线粒体的转运，增加了线粒体拷贝数，并上调了负责线粒体生物发生的基因 (301)。

许多神经退行性疾病（包括此处讨论的三种疾病）的主要危险因素是年龄。这种特性增加了 iPSC 研究的人力和成本，因为与其他疾病相比，细胞模型中疾病的发展需要更长的时间。因此，研究人员一直在寻找使细胞更快成熟的方法。唐氏综合征 (DS) 患者在比典型 AD 患者年轻得多的年龄表现出 AD 病理学，并且还具有 21 号染色体三体性，其中包括 APP 基因。有趣的是，虽然从这些患者的 iPSC 中分化出来的神经元显示出 Aβ聚集体和 P-tau，与上述 APP 研究不同，DS 患者的细胞对 α-分泌酶抑制剂反应良好（306）。这些结果的对比再次证实了同基因型细胞系的需要。此外，这个例子是一个非常独特的案例，并没有类似的策略来研究归因于其他突变的疾病，包括 AD。因此，已经研究了其他快速老化神经元的方法（260）。最近的一种方法是强制表达早老素 progerin，这是一种与过早衰老相关的蛋白质。Miller等人 (214) 将该策略应用于 PD 患者 iPSC 衍生的多巴胺神经元的研究，发现它比其他方法更早地带来迟发性症状。另一种方法是关注在疾病进展早期受影响的细胞。基底前脑胆碱能神经元 (BFCN) 的丧失是 AD 中的一个例子 (66)。

然而，将iPSC分化为特定的神经元亚群，如BFCN，并非微不足道。Bissonnette等人(17)证实Lhx8和Gbx1基因的表达促进了人类ESC向BFCNs的分化。调节神经前体细胞中的Sonic hedgehog信号可用于调节向谷氨酰胺和gaba能神经元的分化(237,351)。星形胶质细胞可以通过在有丝分裂原存在的情况下培养祖细胞，然后再提取祖细胞来制备(167)。精确的分化是必不可少的细胞研究，因为Aβ斑块取决于细胞类型(237)。同样，ALS在早期尤其会对支配肢体肌肉的侧运动柱运动神经元造成损伤(143)，但直到最近，通过利用FOXP1，科学家才能够产生这些细胞，它们比内侧运动柱运动神经元具有更高的偏向性(1,3)。无论分化方案如何，PSCs几乎不可避免地会产生异质性群体。这意味着需要非常特定的标记物或全新的纯化和/或富集方法来专门获得特定的细胞类型(64,212)。

迄今为止，大多数iPSC模型只是孤立的神经元，这使得它们不适合研究细胞的非自主原因。在神经退行性疾病中，大量的非神经元因子，如星形胶质细胞、少突胶质细胞和小胶质细胞，在疾病进展中起主要作用(126)。此外，神经网络中的畸变可能是预防疾病发作的更好目标，因为这些畸变有时先于神经退化(199,262)。虽然这样的异常在影响所有年龄的神经疾病和紊乱中都有重现(25,201)，但只有在成年期才会出现的神经退行性疾病的进展相对较少。这些研究的关键可能是三维(3D)培养，它可以更好地再现疾病动态，并允许自组织到更高层次的结构(47,156,226,398)。虽然上述许多iPSC模型显示了与各自疾病一致的病理标记，但聚集和其他表型的水平通常低于预期(55)。而3D培养则更贴近地反映了体内条件，为神经系统的全面建模提供了更合适的环境。生物工程、更好的培养系统和对分化机制的更好理解将使iPSC模型在理解神经疾病的发展方面提供丰富资源。

B. 肝病

Vallier 实验室是第一个使用非神经元（即中胚层或内胚层）命运的患者 iPSC 来展示疾病建模的团队。他们将肝脏中出现的各种遗传性代谢疾病患者的 iPSC分化为肝细胞样细胞 (HLC) (274)， 这些疾病包括 α1-抗胰蛋白酶（A1AT 也称为 SERPINA1）缺乏症、家族性高胆固醇血症、1a 型糖原贮积病、Crigler-Najjar 综合征或 1 型遗传性酪氨酸血症。 HLC 显示出功能特性包括白蛋白分泌和细胞色素P-450代谢，以及各自疾病的主要病理特征，包括错误折叠的A1AT在内质网聚集，低密度脂蛋白(LDL)受体介导的胆固醇摄取不足，以及胞质脂类和糖原过度堆积。在随后的一份报告中，他们表明，使用锌指核酸酶(ZFN)和iggyBac技术纠正了A1AT缺乏症患者iPSCs中的致病基因突变，恢复了诱导的HLC中A1AT蛋白的结构和功能(397)。该报告首次展示了iPSCs和基因编辑技术的结合用于自体细胞疗法。另一项研究报告，来自多个A1AT患者的IPSCs的转录图谱仅在分化为肝系时才与正常对照组不同(370)。该报告还表明，卡马西平可以增强HLCs的自噬通量，并且HLCs对包括对乙酰氨基酚在内的肝毒性药物表现出更高的敏感性，这表明它们在药物开发和肝毒性筛选方面具有潜在的应用前景。

还报道了使用Niemann-Pick 病 C 型 (NPC) 患者的 iPSC 重述疾病表型和药物发现，这是一种致命的遗传性溶酶体贮积症，会导致小脑神经变性和肝功能障碍 (195)。该研究使用转录激活因子样效应核酸酶 (TALEN) 生成了源自患者的 iPSC 的同基因型克隆，并证实了疾病表型的重现，包括细胞活力降低、胆固醇积累和功能失调的自噬通量。筛选自噬诱导化合物发现卡马西平具有细胞保护作用并恢复了 HCL 中的自噬缺陷。另一组还从 NPC 患者中提取 iPSC，并成功对诱导的 HLC 中异常的脂质代谢进行表型复制，同时还表明 2-羟丙基-β-环糊精 (HPGCD) 可能比标准治疗具有更大的疗效 (309)。

家族性淀粉样变性多发性神经病 (FAP) 是最常见的常染色体显性系统性淀粉样变性类型，由转甲状腺素蛋白突变引起，转甲状腺素蛋白是一种血浆转运蛋白，主要由肝脏合成，用于甲状腺激素和视黄醇结合蛋白，与视黄醇和维生素 A 结合(5)。两组从 FAP 患者中产生 iPSC，并将其分化为表达淀粉样蛋白转甲状腺素蛋白的 HLC (115, 130)。这些报告证明了在诱导的 HLC 及其培养上清液中形成了转甲状腺素蛋白淀粉样蛋白原纤维样结构，并且这些结构的形成可以用转甲状腺素蛋白动力学稳定剂双氯芬酸来抑制。

尿素循环障碍的研究也受益于 iPSC。瓜氨酸血症分为两种亚型：1 型或新生儿型和 2 型或成人型 (372)。1 型瓜氨酸血症是一种常染色体隐性遗传疾病，由 ASS1 基因突变引起，该基因编码尿素循环酶精氨琥珀酸合成酶 (ASS)，其特点是新生儿出现危及生命的高氨血症。另一方面，2 型瓜氨酸血症，也称为 citrin 缺乏症，发病较晚且表现较轻，是由 SLC25A13 基因突变引起的，该基因编码 citrin，这是 ASS 的重要辅助因子。除了高氨血症和瓜氨酸血症外，2 型瓜氨酸血症还会导致脂肪肝的发展。 iPSCs 从 2 型患者分化为 HLCs 部分概括了该疾病中出现的尿素循环失败，包括功能失调的线粒体 α-氧化和导致脂质积累的异常线粒体结构 (155)。另一方面，iPSCs 从 1 型患者分化为 HLCs 导致尿素生成降低，但培养物中没有瓜氨酸积累，这与疾病表型不一致 (392)。添加 L-精氨酸（一种临床上用于尿素循环障碍的氨基酸）改善了两种细胞类型的表型。

除了 HLC，iPSC/ESC 已分化为胆管细胞样细胞 (CLC)，用于形成 3D 囊性或导管类器官 (250, 293)。一项研第二项研究表明，由 iPSC 衍生的囊性纤维化患者的 CLC 制备的类器官中胆管病变的疾病表型可以用实验药物 VX-809 挽救，而 VX-809 与另一种药物联合使用可以挽救囊性纤维化患者类器官的功能缺陷（250）。

C.血液和免疫学疾病

血液学和免疫学疾病是血液系统的异常。我们目前对这些疾病的细胞病理生理学的了解在很大程度上依赖于患者来源的原始造血细胞和动物模型。患者细胞有时适用于体外模型；然而，它们的获得数量有限，血液学和免疫学发育的物种差异限制了动物模型的使用。

骨髓衰竭综合征患者的外周血细胞水平低是由于造血干细胞数量的进行性减少所致。这些疾病中最常见的是 Fanconi贫血(FA)，这是一种常染色体隐性遗传性儿科疾病。Raya等人(275)对FA患者的成纤维细胞进行重新编程，以准备第一个基于IPSC的血液疾病模型。由于遗传的不稳定性，患者的成纤维细胞对重编程具有抗性，但如果基因缺陷得到纠正，可从多个FA患者获得iPSC克隆，并成功分化为正常表型的造血系。后来的一项研究成功地在没有校正的情况下对患者的成纤维细胞进行了重新编程，尽管其效率要低得多(227)。重编程激活FA通路导致DNA损伤。当细胞分化为造血谱系时，这种激活也归因于多能性受损和凋亡水平增加(326,396)。这些研究不仅为FA提供了一个模型，还表明FA通路在重编程机制中具有内在作用。

最常见的遗传性贫血是地中海贫血(362)。Wang和同事(359360)报道了iPSC技术与同源重组基因校正技术在疾病细胞治疗中的价值组合。从地中海贫血患者获得的诱导多能干细胞经过基因校正后，分化为造血祖细胞。将这些祖细胞移植到小鼠模型中可以恢复人类血红蛋白水平，这表明经过纠正的祖细胞可以进行正常的造血。Papapetrou 等人(264)使用生物信息学方法确定基因组安全港，在这些安全港中，一个转导的慢病毒编码的β-珠蛋白转基因高表达，用于从β-地中海贫血患者的诱导多能干细胞衍生红系祖细胞。一些研究小组在镰状细胞贫血的研究中使用了类似的策略(300,403)。事实上，第一个使用诱导多能干细胞的基因治疗模型是在人源化的镰状细胞贫血模型小鼠上完成的(104)。研究人员修复了iPSC克隆的β珠蛋白基因位点，从 iPSC 中诱导造血祖细胞，并将祖细胞移植到患病小鼠体内。结果，小鼠的贫血得到拯救，说明利用基因恢复的iPSCs进行自体细胞移植治疗是有效的。基因编辑也被用于纠正来自x连锁严重联合免疫缺陷患者的诱导多能干细胞中IL-2Rg基因的突变(211)。纠正后的诱导多能干细胞分化为确定的造血谱系，导致T淋巴细胞和自然杀伤细胞的恢复。

Shwachman-Diamond综合征(SDS)是一种罕见的常染色体隐性遗传病，其特征是由于外分泌胰腺功能不全和骨髓损伤导致营养吸收不良，增加了骨髓增生异常和白血病的风险(229)。大多数病例归因于Shwachman-Bodian-Diamond综合征(SBDS)基因的缺失。为了检测这种损失的影响，iPSCs来自SDS患者，ESCs来自sbds敲低(345)。与受疾病影响的器官相一致，PSC型向胰腺或造血系的分化导致细胞凋亡增强和蛋白酶活性增强，这两种情况都可以通过在培养物中添加蛋白酶抑制剂来改善。

在一些先天性免疫缺陷疾病中，已使用诱导多能干细胞检查了受影响组织的表型。TLR3或UNC93B突变的婴儿容易发生单纯疱疹病毒-1 (HSV-1)脑炎。为了解剖中枢神经系统中负责的细胞自主免疫反应，Lafaille等人(170)从TLR3-或unc93b缺陷患者中建立了诱导多能干细胞，并将其分化为神经元谱系。产生的神经元和少突胶质细胞特异性地表现出对HSV-1的免疫反应减弱，而神经干细胞和星形胶质细胞则没有。Ciancanelli等人(51)报告了IRF7的零突变在人类中引起危及生命的流感感染。他们发现，来自患者诱导多能干细胞的肺上皮样细胞产生的I型干扰素数量减少，流感病毒复制增加。这些研究证明了基于ipsc的建模在检查特定器官或组织的固有免疫反应缺陷方面的有效性。iPSCs用于其他原发性免疫缺陷综合征的骨髓缺陷建模，如慢性肉芽肿病(135,404)和严重的先天性中性粒细胞减少症(113,223)也有报道。

从慢性粒细胞白血病（CML）患者身上获得的疾病相关iPSC也是如此，这些患者使用各种母细胞类型，包括KBM7细胞、原代骨细胞和CD34+细胞（35，120，168）。所有亲代细胞系均对酪氨酸激酶抑制剂伊马替尼敏感，证实了对BCR/ABL癌基因信号的依赖性。有趣的是，尽管表达了BCR/ABL融合基因，所有iPSC克隆均对伊马替尼产生耐药性（168）。当iPSC分化为造血系时，敏感性恢复。预计该细胞模型将提供有关疾病发展初始事件的新信息。

青少年粒单核细胞白血病（JMML）是一种严重的儿童骨髓增生性疾病，预后不良（239）。该疾病的特征是克隆性但功能失调的骨髓单核细胞的病理性扩张。许多基因突变与该疾病有关，在PTPN11中发现了多个基因突变。Gandre Babbe等人（86）从两名具有PTPN11突变的JMML患者的恶性细胞制备IPSC。iPSC的分化导致髓样细胞的增殖能力增加，与粒细胞集落刺激因子信号通路的过度激活和磷酸化增强有关，与疾病表型一致。使用这些细胞进行药物筛选后，发现MEK激酶抑制剂可能具有治疗作用。

DS也称为21三体性，是最常见的常染色体疾病。症状多种多样，包括心脏缺陷、智力低下和过早衰老。它们还会导致一些血液病。大约10%的DS新生儿表现出暂时性骨髓增生性疾病（TMD）的迹象，在表现出暂时性异常骨髓生成的患者中，10-30%的患者进展为急性巨核细胞白血病（169363）。由DS患者制成的IPSC通常分化为神经元，以研究智力低下和早发性AD的发生（26、189、306、364）。从DS-iPSCs诱导造血谱系也得到了关注（50，193）。通过从DS-iPSCs（193）中获得二体亚克隆和三体亚克隆来观察三体性的影响。该研究发现，从三体人群中分化出来的红系祖细胞和造血祖细胞数量显著增加（2-5倍）。此外，三体iPSCs的集落形成潜能更高。由于与等基因系进行了比较，造血异常可直接归因于21三体。同时，在分化为造血系的DS-iPSC中，增强的红细胞生成与减少的骨髓生成和正常的巨核生成相辅相成。后来的一项研究发现，TMD患者的IPSC中的GATA1截断突变具有几乎相反的效果，损害红细胞生成，但增强骨髓生成和巨核生成（32）。这些观察结果表明，21三体和GATA1突变都可能在TMD的发病机制中发挥根本作用。

最后，慢性婴儿神经皮肤关节综合征（CINCA）是一种由NLRP3基因突变引起的自身炎症综合征。然而，在30-40%的病例中，NLRP3突变仅在一小部分体细胞中发现（289290）。这一事实留下了不确定性，即这一少数群体是否足以引起在患者中观察到的强烈自身炎症反应，或者在所有细胞中发现的另一种基因的未知突变是否是该疾病的原因。iPSC是解决这个问题的理想选择，因为每个iPSC克隆来自单个体细胞（103）。我们从具有体细胞嵌合体的CINCA患者中建立了突变型和非突变型iPSC系以解决问题（337）。使用IL-1β分泌作为自身免疫的指标，我们发现具有NLRP3突变的巨噬细胞主要负责疾病表型（图5B）。

D. 心脏病

人类和小鼠在休息时的心率相差约10倍。这两种心脏类型在离子通道特性和电生理学方面也有许多差异。因此，在研究人类心肌疾病时，小鼠模型可能会产生误导（57），从而为使用人类iPSC提供了依据。

肥厚型心肌病（HCM）是一种由基因异常引起的常见疾病，每500人中就有1人发病。患者易发生心脏性猝死。两项研究调查了来源于MYH7基因（R633H或R442G）突变的HCM患者IPSC的心肌细胞（102，172）。突变心肌细胞表现出较高的肌节紊乱频率和细胞大小增加。这些细胞还再现了异常钙处理，显示心律失常波形增加，并显示异常的活化T细胞核因子（NFAT）信号。组蛋白脱乙酰酶活性抑制剂曲古抑素A治疗可改善疾病表型，表明该模型具有药物发现的潜力。另一项iPSC-HCM研究使用高速视频成像显示内皮素（一种血管促进剂）增强了病理表型（336）。

另一方面，iPSCs也被用来模拟扩张型心肌病（DCM）。该应用的第一项研究涉及从携带TNNT2基因R173W突变的患者中制备iPSC衍生的心肌细胞（324）。由此产生的心肌细胞表现出肌节紊乱和钙调节异常。肌节紊乱可以通过添加 metoprolol，这是一种β-肾上腺素能阻滞剂。此外，细胞的收缩力显著降低，但腺病毒过度表达Serca2a增加了收缩力。另一项iPSC研究表明A带和I带对TTN基因突变的不同反应与DCM相关（112）。当从TNNT2基因突变的家族中建立iPSC并分化为心肌细胞时，观察到肌节结构异常以及收缩力下降（324）。肌节-肌动蛋白结构中的这些异常随着β-肾上腺素能受体的刺激而加重，并在添加β-阻滞剂后得到改善。

此外还报道了心律失常的 iPSC 体外疾病建模。Long QT 综合征是最常见的心脏通道病类型之一，其特点是心室复极延长和心脏致死性心律失常的风险增加。已经建立了Long QT综合征的iPSC模型，包括LQTS1（70、179、222）、LQTS2（132、171、205、206）和LQTS3（192、338）。CRISPR 干扰和等位基因消融已被证明可以在功能上拯救突变的 iPSC 衍生的心肌细胞 (181, 383)。

Timothy 综合征涉及并发症，包括显著的 QT 延长、体表变形和由于 CACNA1C（一种编码 L 形 Ca 通道 (CaV1.2) 的基因）的突变而发生的自闭症。当Timothy综合征来源的iPSC被分化为心肌细胞和神经元后（387），心肌细胞不规则收缩，Ca2+流入，动作电位的不规则变化，以及 Ca2+ 的不规则自发增加被观察到。

最后，iPSC 来自 LEOPARD 综合征患者，这是一种由 PTPN11 基因突变引起的 RAS/MAPK 综合征并表现出肥厚型心肌病 (37)。与对照相比，从患者来源的 iPSC 分化的心肌细胞更大，并且促进了肌节的构建以及 NFATC4 的核输入增强，这是心肌肥大的一个重要因素。