幹細胞之研究及應用

幹細胞之研究及應用

                                                               圖一：幹細胞形成的過程



                                                   
                                                                劉德勇博士幹細胞講座

幹細胞之研究及應用                                        黃慶三 (11/15/2010)v1

[前言：不久前，TASS成員劉德勇博士以淺顯的台語、英語，偶而雜夾一兩句中文詞句和用語，為我們這群 (大多數是)「門外漢」解說目前幹細胞之研究及應用，筆者深覺奧妙而有趣。所以筆者就試著將之整理彙編如下，以饗讀者。]

「幹細胞」之研究目標

目前「幹細胞」(Stem cell) 之研究有兩個目標：

1. 建立新的、治療特定疾病的幹細胞系 (Stem Cell Lines) ；

2. 尋求某些可用的化學物品 (藥品) ，以幹細胞來做治療的方法。

劉德勇博士首先以一個虛擬的情況，來述說目前可能利用幹細胞來做實際治療的可行性：

某人的母親可能得了中風 (Stroke) ，於是趕快送進了醫院。不過主治的醫師認為她可能是患了「肌萎縮性側索硬化症」(Amyotrophic lateral sclerosis--ALS) ，為神經系統的一種毛病，即控制肌肉的運動神經 (Motor neurons) 有了問題。醫生就取些她的皮膚，用培養皿 (Petri dish) 來培養細胞，然後加入一些化學藥品混合液 (Chemical cocktail) ，使這些皮膚細胞轉變成運動神經。

這些轉變成運動神經的細胞，和她個人原有的運動神經相同，因此可以用來檢驗這些細胞是否含有 ALS 的缺陷。檢驗的結果，證明這位病人是得了 ALS，而非中風。醫生知道目前有種可以防治、或延緩這種病症的藥物，祗是這種藥物對於百分之廿病人的心臟有害。因此需要進一步的檢驗測試。

於是這群醫生和科學家又用另一種化學藥品混合液，把這病人的皮膚細胞轉變成「誘導多能幹細胞」(Induced pluripotent stem cell—iPS) 。這種「誘導多能幹細胞」可以轉變成和這病人身上基因完全相似的各種細胞。利用某種化學藥品的誘導，這些 iPS 就轉變成一群心肌細胞 (Cardiomyocytes)，而在培養皿裡形成一層薄、但會如心肌跳動的組織。醫生就將治療 ALS的藥物，用在培養皿裡的心肌細胞，並觀察它的反應。結果發現這藥物不會產生毒害。也就是說這病人可施用這種有效、但不會對心臟有害的藥物。這位女士被治癒而後返家是可預期的。

實際上目前要培養出一個 iPS 幹細胞系，需要極長的時間，有時甚至需要一年以上才行；同時現在尚無治癒 ALS 的藥物。不過上述這個虛擬的劇情 (Scenario) ，闡述了這群研究以幹細胞為治療工具的科學家們，已經達到某些真正、可以預期的成果：即可以改變細胞的「狀態」或「類型」(State) , 用來了解一些疾病的機制 (Disease mechanisms), 以及加速醫療藥品的發展及製造。

 什麼是「幹細胞」？

所謂「幹細胞」是原始的、未特化的細胞，而保有轉化成其它細胞類型的能力。這種能力使得幹細胞能夠用來修護、甚或再生某種受到破壞的組織或器官。所以醫學研究者正全力研究，想利用幹細胞持有的潛力，來改變、改進人類某些疾病的治療方法。

幹細胞有種能力，利用「有絲分裂的細胞分裂」(Mitotic cell division) 及「分化」(Differentiate) 的方法，變成身體上各種不同、特別化的細胞。以哺乳類來講，幹細胞有兩種廣義的形式 (Types) ：

(1). 「胚胎幹細胞」 (Embryonic stem cell—ESC) ，存在於囊胚 (Blastocysts) 的內

       細胞團（Inner cell mass--ICM），可發育為不同的細胞，是所有細胞最初期的

       形態，它們可以發育成為身體內200多種細胞類型中的任何一種。

(2). 「成體幹細胞」(Adult stem cell—ASC) 或「祖細胞」(Progenitor cell) ，存在

       於成人的組織 (Tissues) 裡。它們存在成體特定的組織中，具有由幹原細胞形成

       先驅細胞，再分化成具特定功能細胞的能力。例如骨髓幹細胞、造血幹細胞、

       神經幹細胞等等。

玆把這兩種幹細胞形成的過程，略加說明如下：

A.「胚胎幹細胞」

(1). 胚胎的發育從受精卵 (Zygote) 開始，這個單一的細胞是個全能 (Totipotent) 細

                   胞，它可以產生、變成人體上的任何細胞。當受精卵經由輸卵管 (Fallopian

                   tube) 時，細胞開始分裂，形成球狀的桑葚胚 (Morula) 。亦即受精卵經過2 , 4 ,

                   8 , 16, 32 倍數分裂的細胞期之後，才形成有一空囊狀的「囊胚」。因此這

                  「囊胚」含有 32個胚胎幹細胞 。受精的卵大約五天後，形成的「囊胚」會進

                   入子宮 (Uterus) 。而這些聚集在「囊胚」的胚胎幹細胞 (即ESCs)，會形成三層

                   (Layers) 。這三層包括「外胚層」(Ectoderm) 、「中胚層」 (Mesoderm) 、及

                 「內胚層」(Endoderm) ；

(2). 外胚層會分裂成產生皮膚、毛髮、感官的器官、神經及神經膠質細胞 (Glia

                   cell) 的「祖細胞」(Progenitor cell)；

(3). 中胚層分裂成產生紅及白血球細胞、血小板、骨骼、軟骨、肌肉、心臟及血液

                   循環系統、脾臟、結締組織 (Connective tissue) 、生殖器官、及泌尿系統的

                  「祖細胞」；

(4). 內胚層則分裂成產生肺及呼吸系統、內分泌腺 (Endocrine gland) 、肝胰臟、

       及消化系統的「祖細胞」。

 
 

這形成的過程，可用圖一來說明：

(請見上面的 「圖一」)

                                                   圖一：幹細胞形成的過程

B. 「成體幹細胞」

成體幹細胞由已成長的生物個體組織、或器官取得，而保有兩個持性：

(1). 可以分裂而產生和自體相同的細胞；

(2). 可以分裂而產生不同於自體的細胞，叫做「體幹細胞」(Somatic stem cell) ，以

       及「生殖幹細胞」(Germline stem cell) 。

成體幹細胞大都是譜系限制 (Lineage-restricted) 的「多潛能幹細胞」(Multipotent)，而以它們組織的來源來區分，比如「間質幹細胞」(Mesenchymal stem cell) 、「脂肪源性幹細胞」(Adipose-derived stem cell ), 及「內皮幹細胞」(Endothelial stem cell) 等。許多年來，成體幹細胞常以骨髓移植的方法，來治療白血病 (Leukemia) 及骨/血液癌症。

 

幹細胞的功能

如依功能來分類，幹細胞則可分別如下：

(1). 全能幹細胞 (Totipotent)，受精卵在形成胚胎過程中，四細胞期之前，任一細胞

                   皆是全能幹細胞。它們具有發展成獨立個體的能力，也就是說能夠發展成一個

                   個體的細胞，就稱為全能幹細胞。

(2). 多功能幹細胞 (Pluripotent)，是全能幹細胞分裂而成的「後裔」。它們雖無法

                   發育成一個個體，但具有可以發育成多種組織能力的細胞。

(3). 多潛能幹細胞 (Multipotent)，只能分化成特定組織或器官等特定族群的細胞

                 （例如血細胞，即包括紅血細胞、白血細胞、和血小板）。

(4). 專一性幹細胞 (Unipotent)，只能產生一種細胞類型；但它具有自行更新屬性，

       將其與非幹細胞區別分開。

幹細胞的倫理道德爭議

所謂幹細胞的倫理道德爭議問題，實際上僅限於胚胎幹細胞 (即ESC）的部份，而不涉及其他種類的研究，例如成體幹細胞（ASC），以及新發展的「誘導多能幹細胞」(iPS) 這兩部份。ESC的問題關鍵，在於胚胎幹細胞獲取的過程。依照目前的技術，獲取胚胎幹細胞需要在囊胚 (Blastocysts) 階段時破壞胚胎，以提取內細胞團（ICM）。此步驟在許多反墮胎團體（Pro-life）人士看來，是種生命的破壞，即「殺」掉了一個生命。為了避免倫理道德的爭議，新的獲取胚胎幹細胞技術正在開發中，特別是新發展的「多能誘導幹細胞」，不會產生倫理道德的爭議問題。

胚胎幹細胞、及成體幹細胞的優、缺點可比較如下：

	胚胎幹細胞	成體幹細胞
優點	．增生能力強	．可自體取得，移植時無免疫排斥問題
	．分化能力強	．不會產生畸胎瘤 (Teratoma)
		．無倫理道德問題
缺點	．可能產生畸胎瘤	．增生能力弱
	．有倫理道德的問題	．分化能力有限
		．數量稀少

多能誘導幹細胞

至於新發展的「多能誘導幹細胞」(iPS)，則是2006年日本京都大學 (Kyoto University) 的 Takahashi及Yamanako革命性的新發現。他們利用轉錄因子 (Transcription factors) ，OCT3/4，SOX2，KLF4，及MYClf4，把老鼠及人類的「體幹細胞」重新編程 (Reprogramming)，而成為類似胚胎幹細胞的「多功能幹細胞」，而能轉變成身體內任何種類的細胞。祗是這方法所使用的MYClf4 是種致癌基因 (Oncogene) 。

2007 年，哈彿大學 (Harvard Stem Cell Institute) 年青的Konrad Hochedlinger 以化學複合物，來取代利用過瀘病毒基因，以作骨髓、血液、及皮膚細胞重新編程的手續。2010 年 9月 Oda等以OCT3/4，SOX2，KLF4 (不用致癌的 MYClf4) ，把人類第三個智齒取得的「骨髓基質幹細胞」 (Mesenchymal stromal cell) 重新編程為有 30 ~100 倍高效率的 ”Wise Stem Cells” 。

「多能誘導幹細胞」有許多類似「胚胎幹細胞」的地方，包括形態 (Morphology)、胚胎幹細胞標記的表達模式 (ESC marker expression) 、全盤的基因表達 (Global gene expression) 、後生狀態 (Epigenetic states) ，以及它可以在試管中 (in vitro) 、或在活的有機體中 (in vivo) 演變形成三層 (Layers) ，即「外胚層」(Ectoderm)、「中胚層」 (Mesoderm) 、及「內胚層」(Endoderm) 。

又「多能誘導幹細胞」可 持續不變的作細胞培養增生，且只要得到正碓的指示，它可維持發展成某種特定的細胞，諸如神經、腸道、肌肉、骨骼、軟骨等等細胞。又如果病人本身的基因帶有 缺陷而引起某種疾病時，這缺陷可以修復，而不會干擾到、或損壞其他的基因，且可先證明它已修復後，才開始讓它複製增生。

它也可以用來比較由基因或非基因變壞的情況，指出引起這兩種病症的過程，而正確的使用藥物來治療。病人的細胞可一方面在試管或玻璃試皿中培養、觀察、實驗，同時也可移植到老鼠身上，來試驗它們各方面的互動情況，例如肥胖症 (Obesity) 病人的「下丘腦神經元」(Hypothalamic neuron) 如何與肥細胞 (Fat cell) 互相傳遞訊息；或是患有心藏病病人的肝細胞、肥細胞、及血管內皮細胞 (Vascular endothelial cell) 如何互相傳遞訊息等。

尋求疾病治療的途徑

研究幹細胞的長遠目標，是把幹細胞移植於體內，而達到治療的目的。但目前主要的困難是如何引導移植於體內的幹細胞，不管是胚胎幹細胞 (ESC) 或誘導多能幹細胞 (iPS) ，分裂轉化成特定組織細胞，來達到這個目的。

就以年長者腿部淤血的復原，常需較長的時間的例子來說，這種較遲緩復原的原因，是否因為年紀變大而產生一些修補復元能力的缺陷，抑或年長者失去某些「青春」的因素而造成的後果？

哈 彿大學曾經以單獨的年長老鼠肌肉傷口復原的速率，以及把年長及另一年青老鼠的血液循環系統聯繫在一起後，年長老鼠傷口復原速率，來做觀察比較，發現年長老 鼠在後者的情況下，即和另一年青老鼠的血液循環系統聯繫在一起者，復原速率快得多。但如果這年長老鼠和另隻也是年長者的血液循環系統聯繫在一起時，它的復 原速率則沒增快。反之如果受傷的是年青的老鼠，它單獨自行復原的速率，以及把它和年長老鼠的血液循環系統聯繫在一起者來比較，這年青老鼠復原的速率沒因而 延緩。這現象指出年青老鼠血液中存有某種「因素」(Factor)，當這「因素」進入年長老鼠受傷肌肉時，會「喚醒」年長老鼠受傷肌肉的幹細胞，而加速傷口的復原。

另外的實驗也證明，當年老動物的器官，接觸到年青者血液時，會恢復 (Restore) 或促進不同組織「祖細胞」(Progenitor cell) 的功能，即不衹上述例子的肌肉組織，而包括脾臟、肝臟、腦部、及心臟等「祖細胞」的功能。這種能夠激發內在的潛力，而增進組織修復的途徑 (Pathway) 或方法，是目前亟需探討及研究的課題。這種能夠增進內在修護組織機能的機制，若能完全了解、掌控後，有天將可以有效的應用在細胞療法 (Cell Therapy) 上。運用幹細胞體內平衡 (Homeostatic) 自我修護的機能，將能維護每個人身體的健康。

此外，就因「誘導多能幹細胞」的發現，可以較容易的製造某種疾病特有的幹細胞，來試驗藥物對這種特定疾病的有效性及安全性，所需臨床實驗的規模及實驗期間，將可大為縮減。也就是說這種幹細胞可能用來加速新藥品的發明，也降低研發所需的成本。

結論

目 前我們認為「誘導多能幹細胞」和天生的「多能幹細胞」，比如「胚胎幹細胞」，有許多相似的地方，但是它和天生的「多能幹細胞」真正的同異程度，仍在研究觀 察中。同時鑑定那種化學藥品的誘導，會使「誘導多能幹細胞」轉變成某種特定組織的細胞，特別是大規模、多方面的應用，乃是目前的難題 (Bottleneck)。對疾病病理有較深入了解、及病患特徵表型 (Phenotype) 知識豐富的研究性醫院，將可在這方面多加研究和貢獻。

           

截至 2010 年為止，惟一能夠利用幹細胞治療的方法，只有以骨髓移植 (目前可能用「周邊血幹細胞」來取代) 來治療白血球過多症而已。不過我們認為利用幹細胞來治療各種疾病的可行性，仍是屬實。這些可行的各種疾病包括癌症、震顫麻痺症 (Parkinson’s disease) 、脊髓受傷 (Spinal cord injury) 、肌萎縮性側索硬化症 (Amyotrophic lateral sclerosis-ALS) 、多發性硬化症 (Multiple sclerosis)、及肌肉的損傷等。不久的將來，這些疾病的治療，將因幹細胞研究的成果，而漸見曙光。不過以目前的技術來講，如果移植的幹細胞失去了控制，這些幹細胞則有可能形成腫瘤或癌症。