萬能的再生細胞──幹細胞

萬能的再生細胞──幹細胞

幹細胞能分化出新細胞，修復受損的組織或器官。它的分化行為由基因控制，因此若能經由適當的基因調控，導引幹細胞100%往特定的方向成長，就能幫助病患恢復健康。

文／楊嘉慧

《西遊記》中孫悟空將毛髮變成自己分身的能力，有可能實現嗎？近年來，幹細胞的研究突飛猛進，從身上取出的成體幹細胞，很可能經由誘導而分化出不一樣的細胞。今年3月，《心血管研究》（Cardiovascular Research）刊登了美國紐約州立大學水牛城分校的科學家如何成功利用頭髮毛囊幹細胞培育出皮膚組織。由於幹細胞具分化出新細胞的能力，若未來技術發展成熟，配合基因修補技術，許多難以治癒的疾病很可能因此痊癒，所以有不少人對幹細胞充滿期待。 （影像來源：《科學人》影像資料庫／攝影 徐志初） 分化出新型態的細胞 　幹細胞與普通細胞的差異在於幹細胞可以「分化」（見註）出新型態的細胞。人的一生中，皮膚、血液等組織之所以會不斷更新，就是因為幹細胞分化出新細胞，取代受傷或衰亡的細胞。幹細胞的增殖並不對稱，當它由一分為二時，其中一個會保留原來幹細胞的特性，另一個則發展成為有特定功能的細胞。 　依照分化能力，幹細胞可分成「胚胎幹細胞」與「成體幹細胞」等。胎兒離開母體後所帶的幹細胞，屬於成體幹細胞，它的特性是在受特定外在因子誘導下，會分化為某一種或相關類型的細胞，例如存在大腦的神經幹細胞會分裂產生神經元以及神經膠細胞，存在骨髓的造血幹細胞則製造紅血球、血小板及白血球等。 　依照分化後形成的細胞種類，成體幹細胞又可分為造血幹細胞、生殖幹細胞、間葉幹細胞、心肌幹細胞、肝幹細胞等。隨著年齡增長，成體幹細胞的增殖次數增多，染色體末端的端粒（telomere）會越來越短，造成染色體不穩定，使得增殖能力逐漸變差。 　胚胎幹細胞則存在於胚胎的囊胚期（精卵結合後，約5~7天就進入囊胚期）。囊胚期的細胞分成兩大群，外圍屬於滋養細胞群，將來可以形成胎盤的一部份，供應養份並排出廢物；內部的內細胞團即含有所謂的「胚胎幹細胞」，它們可以分化出人體所有的組織細胞。 　精卵結合進入胚胎時期第三週，內細胞團會分化成三胚層：外胚層、中胚層與內胚層，此時，已不再具有胚胎幹細胞的萬能性，外胚層僅會發育成表皮細胞、神經細胞等，中胚層形成結締組織、骨骼和肌肉組織，如平滑肌細胞、骨細胞等，內胚層則發育為部份內臟組織如小腸細胞、胰臟細胞等。 精卵結合進入囊胚期時，細胞會分化出外圍的滋養細胞群和內部的內細胞團，內部的內細胞團即含有所謂的「胚胎幹細胞」，它可以分化出三胚層：外胚層、中胚層與內胚層，三胚層再繼續分化出人體所有的組織細胞。　（電腦繪圖／姚裕評） 透過基因調控，誘導幹細胞分化 　由於幹細胞能分化出新細胞，可用於修復受損的組織或器官，因此培育、移植幹細胞成了現代醫學用以治療難癒疾病最具潛力的方法。其中，胚胎幹細胞因為具有分化成各種組織幹細胞的能力，是最佳的培育對象；然而胚胎幹細胞只存在於胚胎，來源與取得都涉及道德倫理問題，目前的人體研究仍以成體幹細胞為主。 　幹細胞的分化行為主要是由細胞核裡的基因控制，因此若能經由適當的基因調控改變基因指令，就可能誘導幹細胞改變分化行為，導引其往設定的方向分化，例如讓骨髓幹細胞分化出肌肉細胞、結締組織等。誘導的方法包括改變幹細胞培養液的成份、插入特殊基因到幹細胞內等；不過整個手續相當複雜，因為培育過程必須考慮幹細胞的存活、增生和分化的微環境，以及何時需要什麼種類、什麼濃度的生長因子等，因此就目前的技術而言，誘導幹細胞分化，並100%往特定方向分化的成功率並不高。 　即使找出導引的方法，仍有其局限，例如從中胚層發育的幹細胞，比較有可能誘導出同樣在中胚層發育的細胞，若要誘使中胚層的纖維母細胞形成外胚層的神經細胞，比較可行的方法是先讓它回到胚胎幹細胞狀態，再從胚胎幹細胞形成神經細胞，然而如何讓纖維母細胞變成胚胎幹細胞，目前雖已建立相關技術，但尚不成熟。 　雖然幹細胞研究面臨許多挑戰，且其中的研究還需多久才能應用至人體，尚不能斷定，但由於它能為許多神經受損、罹患先天性疾病、需器官移植的病患帶來一線曙光，因此各國無不加緊研究，希望整合學界與產業界的技術、人力及物力資源，早日讓幹細胞、組織工程及再生醫學等有突破性的發展。 註：細胞分化是指某一個體細胞進行細胞增殖時，會出現型態、功能等與原細胞不一樣的細胞，這個過程稱為分化。它與細胞分裂不同，細胞分裂是細胞進行增殖時，只會產生型態、功能與原細胞相同的細胞。 誘導體細胞成為胚胎幹細胞的神奇技術 　長久以來，科學家對於啟動胚胎幹細胞往不同組織分化的機制毫無頭緒，直到比對胚胎幹細胞與普通細胞的差異後發現，在胚胎幹細胞裡，有些基因的表現非常活躍，因此科學家猜測可能就是這些基因促使它具有分化成不同組織的潛能。 　2006年，日本京都大學幹細胞生物學家山中伸彌（Shinya Yamanaka）的研究小組發現，只要從這些表現活躍的基因中，取四個基因送入已經完全分化的細胞，就可以使細胞重新設定，回到有如胚胎幹細胞、具多能性分化功能的細胞，稱為「誘導多能性幹細胞」（Induced Pluripotent Stem cell, iPS細胞）。這種方式在老鼠的細胞實驗中已經獲得初步成功。 　2007年11月，這項實驗又有新的突破，山中伸彌與美國威斯康辛大學幹細胞及再生醫學中心的解剖學教授湯姆生（James Thomson）分別率領兩個不同的研究團隊，幾乎在同時做了相似的實驗：他們利用病毒把四個重要基因帶進人類的普通細胞內，結果也成功地使普通細胞回到誘導多能性幹細胞(iPS細胞)。 　同一年的12月，美國麻省理工學院懷海德生物醫學研究所教授堅尼許（Rudolf Jaenisch）的研究小組嘗試利用以上述方法得到的iPS細胞，治療患有遺傳性疾病鐮狀細胞貧血症（sickle cell anemia）的老鼠，此類疾病是染色體上控制某一個胺基酸生成的DNA發生突變，使紅血球細胞變成鐮刀狀而降低了攜氧能力，導致患者身體虛弱。研究小組將老鼠尾巴的一般細胞誘發為iPS細胞（見下圖），先做基因修補，再誘導分化成健康的造血幹細胞，植入老鼠身體，最後治癒了這隻老鼠。這是學界首次採用取自患者自身細胞的幹細胞而治癒成功的案例，它排除了使用外來幹細胞移植所帶來的排斥可能性，是「個人化醫學」（personalized medicine）研究的一大突破。 　然而這個臨床實驗若要應用在人體，仍存在許多風險，因為以此方式培育的幹細胞，含有將基因帶入細胞的病毒，目前還無法得知這些幹細胞是否真能遵守規矩，不會轉變成腫瘤細胞或影響正常細胞的功能。因此在人體的臨床應用上，仍有待幹細胞研究者共同努力。 圖為將老鼠成體細胞誘發為有如胚胎幹細胞的iPS細胞的步驟 （電腦繪圖／姚裕評）</< font>