萬能幹細胞 許你未來
資料來源: 聯合新聞網 科學人雜誌 2006-01-06

  原本被視為南韓民族英雄的韓國首爾大學教授黃禹錫,因刊登在權威科學期刊「科學」 (Science) 上的幹細胞研究論文被發現造假,讓他不得不自全球最熱門的幹細胞研究舞台黯然退場,但幹細胞、人類胚胎幹細胞、核轉殖等名詞,卻因此成了全球的熱門名詞。

  台大醫院婦產部主治醫師吳明義指出,幹細胞指人類最原始的細胞,神經、皮膚、肌肉、血球等人體組織細胞都是從幹細胞分化而來,把人類最原始的細胞取名為幹細胞,有把這種細胞類比為樹幹的意味,就如同樹上的果實、樹葉也都從樹幹長出來的一樣。

  人類的胚胎、骨髓、臍帶血、周邊血液內都有幹細胞,胚胎幹細胞被認為具有分化成多種不同人體組織的潛力,至於骨髓、周邊血液內的幹細胞屬於成體幹細胞,屬於成熟組織內的幹細胞,分化成各種不同人體組織的可塑性就低了很多。

  吳明義表示,成體幹細胞都負載了一個遺傳訊息,就是將幹細胞變成某一類特定的組織,例如血液類的組織。

  在電視上,經常可看到臍帶血銀行的廣告,這些業者在產婦生下新生兒後,收集胎盤及臍帶內的血液,加以分離,就可得到血液幹細胞,並冷凍保存,以備將來不時之需;醫學界認為,臍帶血中含有造血幹細胞,可用來治療白血病、淋巴瘤、地中海型貧血、黏多醣症、血液再生不良等疾病。

  骨髓幹細胞用於治療白血病等造血功能異常的疾病,已有廿多年的歷史,移植到病患體內的骨髓造血幹細胞具有造血功能,可形成紅血球、白血球及血小板等血液組織,幫助病患恢復正常的造血功能。

科學狂想曲》丟輪椅 站起來:
  美國威斯康辛大學研究人員在1998年取試管嬰兒多餘的胚胎,第一次成功培養出人類胚胎幹細胞,從此引發幹細胞研究的熱潮。

  台灣沒有自外於幹細胞的研究熱潮,去年八月舉辦的台灣生殖醫學會年會中,台大醫學院婦產科助理教授陳信孚及不孕症開業名醫李茂盛的研究團隊,分別宣布已經建立了台灣第一株人類胚胎幹細胞。

  台大醫院婦產部主治醫師吳明義表示,胚胎幹細胞所以優於其他幹細胞,因為它可以在人體外無限制的生長;用於治療疾病時,不需要許多人捐骨髓、捐臍帶血,且胚胎幹細胞可分化成許多種類的人體組織來源。

  使用患者自己的細胞核,透過核轉殖技術培養的胚胎幹細胞,更可以解決人體組織移植到病患體內的排斥問題。

  幹細胞可以應用在哪些疾病的治療?台大醫院骨科部教授劉華昌從事骨髓幹細胞分化成軟骨細胞的研究,他表示,骨髓幹細胞經過營養素、維他命、生長激素的誘導,可以長成膝蓋關節所需的軟骨細胞,該院已經在豬隻實驗獲得驗證,未來若人體試驗成功,可用於治療退化性關節炎。

  劉華昌表示,胚胎幹細胞則有分化成神經細胞的潛力,若未來實驗成功,中風、神經受損、脊髓損傷的癱瘓病患,都有可能利用胚胎幹細胞培養分化出的神經細胞,修補受損神經。

胚胎幹細胞研究 何以不單是科學…
  美國總統布希曾在四年前發表電視談話時表示,已核准有限地使用聯邦資金支持胚胎幹細胞研究。布希說,「我是很慎重地作出這個決定的,我祈禱,這個決定作得正確。」

  當號稱是世界上最有權力的人,都那麼注重幹細胞研究,不免讓人覺得幹細胞是什麼?為什麼會那麼引起重視?

  在布希做這個決定前,美國政府對幹細胞研究的利弊展開了長達數月的審議。但最後,儘管有包括羅馬天主教在內各種聲浪反對展開胚胎幹細胞的研究,但布希最後在權衡這項研究可能對治療阿茲海默症以及帕金森症的潛在好處同意撥款協助研發。

道德、政治施壓?
  國際間,胚胎幹細胞的研究,一直都不是單純的科學問題,因它可能複製人類的潛在能力,讓這些研究也背負極大的宗教壓力,甚至是政治問題。

  歐洲就設有專職機構監督幹細胞研究,但其他地區或國家就沒有這麼嚴格。

  人類是高等進化動物,因此在細胞構成上,較低等的阿米巴細胞複雜得多。目前的複製技術還未能成功的培養出特定的人體細胞。其主因是哺乳類動物的細胞結構複雜,雖然科學家解開了人類的基因圖譜,還是無法成功的以不用幹細胞的方式培養哺乳類動物細胞。 燒錢、成果競速?

  培養特定人類細胞又比複製羊或者是其他動物的技術困難,但是研究阿爾茲海默氏症的人員若無法研究活人的腦細胞,就無法研究治療方法,因人類腦細胞目前是難以保存的。

  道德上的理由之外,也有不少大型生物科技公司擔心會耗費大筆資金,是否能夠回收成本,讓生物科技公司對幹細胞研究又愛又怕。

胚胎幹細胞:
  卵子受精後會形成受精卵,經過約 90 小時後會形成囊胚,囊胚中的內細胞團會長成胚胎,如果將內細胞團取出,經過適當培養就可得到胚胎幹細胞。

  幹細胞依分化能力的不同,可分成全能、潛能、多能幹細胞,人類胚胎幹細胞就是全能幹細胞,因為來自受精卵,可以分化成人類各種細胞,又被稱為萬能細胞。

  胚胎幹細胞未來最大用途,在移植治療,也就是將胚胎幹細胞分化出的人體器官或組織,用來取代或修補已受損的器官或組織,例如用培養出的神經細胞移植治療脊髓損傷的病患、用胰島細胞治療糖尿病患等。

閱讀測驗題 最可能考:
  幹細胞的題目最近幾年並未在大學學科能力測驗或指定科目考試中出現,不過生物補教老師游夏認為,今年或明年很可能會以「閱讀測驗」的題型出現,考遺傳工程中的細胞融合技術或胚胎組織培養。

  游夏指出,最近幾年遺傳演化學都考的很多,去年更考了 30 多分,但都沒考幹細胞;可是正因如此,這一、二年很可能出現,尤其指考,很可能出現「複製羊性狀來自於胚胎的細胞質還是細胞核」、「胚胎分裂是有絲分裂或減數分裂」、「胚胎著床後的發育次序是先出現絨毛膜或羊膜」、「若下一代產生突變,有那些型式突變(染色體和基因)」等與生殖有關的題目。

  游夏表示,高二生命科學第7章「生殖」、第 8 章「遺傳」雖沒介紹幹細胞,但有提到相關的遺傳工程細胞融合技術、胚胎組織培養,高三生物第 13 章「現代遺傳學」則將相關知識教得更深,也教到幹細胞;由於學測不考高三內容,所以指考考到幹細胞的機率更高,若在學測出現,應該也會在第貳部分(加分題)。

  游夏說,幹細胞應該會以「閱讀測驗」的題型出現,例如考一段被踢爆造假的南韓黃禹錫論文,或幹細胞相關的科普文章,測驗考生判知科學的能力;指考應該也是同樣題型,但考生須對相關知識有進一步了解,才能回答。

92 學年指考生物題組:
  以桃莉羊為例,複製動物標準程序主要是:從卵提供者 (黑面母羊)身上取得卵細胞並去除其細胞核,再從被複製者 (白面母羊)身上取得體細胞 (乳房細胞),利用顯微注射及電擊法使卵細胞獲得體細胞核並分裂形成囊胚後,即可植入黑面代孕母羊體內。科學家利用此技術多次嘗試生產複製羊,結果只有一個囊胚成功發育成我們所熟悉的白面桃莉羊。根據此資料加上既有的生物學知識回答 46-47 問題。

46.下列有關生產桃莉羊的敘述,哪些錯誤?
(A)黑面母羊的基因發生突變因而產下白面羊
(B)電擊使黑面及白面母羊的 DNA 融合
(C)黑面母羊卵的遺傳物質必須除去
(D)除了毛色外桃莉羊的遺傳特徵接近黑面母羊
(E)植入黑面代孕母羊體內的是胚胎而非受精卵

47.下列有關複製動物的敘述,哪些正確?
(A)現今科技能由已分化體細胞生產出複製動物
(B)複製動物是屬於無性生殖的一種
(C)複製過程中不可能使擬產出的複製動物發生遺傳缺陷或發育異常
(D)複製動物的健康狀態及壽命和被複製者一樣
(E)白面母羊與公羊交配產下的小羊與桃莉羊的 DNA 有一半相同
答案:46.ABD、47.ABE

細胞的挑戰:
幹細胞療法帶來的曙光與實際的臨床治療之間,橫亙著哪些障礙?
資料來源: 科學人雜誌 2006-01-06
撰文╱藍札 (Robert Lanza) 、羅森塔爾 (Nadia Rosenthal) 翻譯/涂可欣

這是受精後 5~6 天的人類細胞,稱為胚囊。剝開囊胚取出的內部細胞圖(圖中紅色突出部份),可用來製造胚胎幹細胞。

  幹細胞 (stem cell) 為衰敗的器官和目前無可醫的疾病,燃起了重生的希望。病患看到幹細胞幾乎神乎其技的報導後大受鼓舞,然而大部份炒得最熱的科學研究,隨後都遭到反駁。在爭論人類胚胎的幹細胞取得的正當性之際,還有其他研究結果也遭扭曲失真。

  聳動與對立的聲音,已讓大眾和大部份科學家迷惑,究竟幹細胞治療在醫學上可不可行。如果美國和其他國家現在就撤銷對幹細胞的法律與經費限制,是不是隔天醫師就可以開始利用幹細胞來治療病患?目前可能不行,因為還有許多技術障礙有待克服。在幹細胞能安全地實現它們的許諾前,得先解決一些懸而未決的問題。

  舉例來說,光是確認真正的幹細胞,就是一件很棘手的事。要讓科學家能夠分享研究結果,並評估控制幹細胞行為技術的成功率,首先得確定研究中使用的細胞,的確具備做為根源—或莖幹 (stem) —的能力。它必須能夠衍生出各種細胞類型,而自身仍維持能繼續衍生的狀態。但儘管對幹細胞的詳審究查,也無法憑外表將它們區分出來,因為幹細胞是根據它們的行為而定義的。

  在各種形式的幹細胞中,最多才多藝的就屬「胚胎幹細胞」 (embryonic stem cell, ES cell) ,而最早的胚胎幹細胞是在二十多年前從小鼠的胚胎中分離出來的。胚胎幹細胞來自非常早期的胚胎,在正常狀況下,它們會形成較晚期胚胎中,三種不同的胚層(見插圖),最後再衍生出身體內所有不同的組織。由於胚胎幹細胞保有製造體內任何類型細胞的潛在能力,因此它們是多能性的 (pluripotent) 。

  全世界大部份現存的人類胚胎幹細胞,都源自體外人工受精後未使用的胚胎。科學家在研究這些胚胎幹細胞後發現,它們通常在冰凍和解凍後能夠復原,並在培養皿中分化出各式各樣的細胞。現在我們也越來越清楚,這些人類胚胎幹細胞株並不完全相同。

揭開幹細胞的祕密:
小鼠的心臟切片,圖中顯示左心室有38%的組織因心肌梗塞而受損(長方框處),於體外複製的幹細胞,在一個月內修復好組織。受損區域的特寫(上圖右)照顯示原來複製的幹細胞(藍色)和新長出的心臟細胞(紅色)。

  有些細胞株只能分化出特定的細胞類型,有些細胞株在培養時生長遲緩。科學家在利用這些細胞株進行研究之前,必須先確定它們具備多能性。美國與加拿大的生物學家希望設立人類胚胎幹細胞實驗的標準,提議引用在非人類胚胎幹細胞研究中常用的兩種測試法。第一種是將胚胎幹細胞注射到動物身體組織中,如果它們形成畸胎瘤 (teratoma) ,這種獨特的腫瘤中含有來自三種胚層的細胞類型),即可證明它們的多能性。另一種測試法則是標記這些可能的胚胎幹細胞,然後將它們注射到發育中的動物胚胎中。當動物出生後,如果有標記的細胞出現在所有的組織中,即可認定該細胞株具有多能性。然而,如果以這種方式來測試人類胚胎幹細胞特性,將會製造出全身帶有人類DNA的嵌合動物,許多人認為這有違倫理。再者,即使通過後面這種測試法,也並不能保證該細胞株在實驗室中會分化。

  由於需要有更可靠的標記,來辨別真正具有多能性的胚胎幹細胞,因此科學家正如火如荼地研究,想為培養的胚胎幹細胞在不同時期啟動與關閉的基因分門別類。如果能有幹細胞基因表現的資料,不僅可以用來鑑別多能性胚胎幹細胞,也能讓我們深入了解這些細胞之所以成為幹細胞的條件。不幸的是,至今對胚胎幹細胞基因表現特性的研究結果相互矛盾,所以找尋胚胎幹細胞特徵的努力仍在繼續。

  當然,幹細胞研究的最終目標,是要替換或重生身體中衰老的部位,像是糖尿病患胰臟中製造胰島素的細胞,或是帕金森氏症病患製造多巴胺的神經細胞。但誘使胚胎幹細胞分化出我們所想要細胞類型的技術,距離完美還很遙遠。

  培養皿中的胚胎幹細胞,在獨立生長時,會自動分化出混雜了各種組織的形式;如果在適當時機加入特定化合物,則可引導它們長成某些細胞類型。不過胚胎幹細胞似乎仍有成為特定組織的傾向,例如長成一層心臟組織,而較難形成其他組織。

讓幹細胞運作:
  由於我們仍不清楚在胚胎發育時,是什麼訊號讓這些細胞走上某條特定的發育途徑,因此,許多研究者正在鑽研自然胚胎的「區位」 (niche) ,以了解可能的環境訊號。還有其他科學家試圖整理胚胎細胞在分化時基因表現的模式,期待能找到哪些基因在開啟或關閉時,會指引細胞成為特定組織。

  但衍生出想要的細胞類型,只是奮鬥的一部份。舉例來說,胚胎幹細胞很容易就可以長出滿滿一盤神經細胞,但這些細胞要在移植到活腦後,能夠和周圍神經聯繫且「交談」,才算真的有用。 2001 年,當美國國家衛生研究院的馬凱 (Ronald McKay) ,報告他利用老鼠的胚胎幹細胞發展出製造胰島素的細胞,幹細胞研究者以為他們有了重大突破,因為這是幹細胞研究者渴望達成的目標。然而去年哈佛大學的梅爾頓 (Douglas A. Melton) 在重複馬凱的實驗時發現,這些細胞只是吸收了培養基中的胰島素,而非自己製造胰島素。因此找出能鑑定細胞真正具備功能的標記,是幹細胞研究社群另一項迫切的任務。

  如果只需單純地將胚胎幹細胞注射到希望它們能重生的身體部位,讓它們自行接收周遭環境的訊號,就再理想不過了。不過,由於胚胎幹細胞的多能性,使得這種方法太危險,不適用於人體治療。這些幹細胞可能形成畸胎瘤,或分化成不是想要的組織類型,甚或是兩者同時發生。在動物實驗中,就曾發生畸胎瘤中含有完整牙齒的案例。

  與其冒險直接注射胚胎幹細胞,而讓患者的腦或心臟長出腫瘤或牙齒,或掙扎著製造具備特殊功能的組織,許多胚胎幹細胞研究者正努力開發比較中庸的做法。在將幹細胞注射到人體前,可先誘使它們成為比較穩定、但仍具發展彈性的前驅細胞狀態,如此即可避免不受控制的分化,卻仍能利用環境的訊號,產生想要的細胞類型。

  即使這些前驅細胞能融入環境並開始形成新組織,但是仍有可能遭受患者身體的排斥。胚胎幹細胞以及它們所衍生出的細胞,和移植的器官一樣,在細胞表面都帶有蛋白質(抗原),會讓免疫系統視為入侵者,而產生免疫排斥作用。不同的抗原類型可能有數百種的組合方式,也意味著這可能需要建立一個含有數十萬種胚胎幹細胞株的細胞庫,以比對出與患者免疫相容性最高的幹細胞。而要有這麼多細胞株,需要人工受精診所提供的上百萬個廢棄的胚胎。

  有些研究者臆測可能並不需要如此龐大的細胞庫,我們可以先減低患者對胚胎幹細胞的敏感度,或是降低幹細胞本身的抗原性質,但這些做法都仍未有令人確信的驗證。目前要避開免疫排斥問題的唯一辦法,是利用患者本身的遺傳物質,以細胞核轉植或複製(cloning) 技術,來建立胚胎幹細胞株。這個技術已引起了相當多的爭議,而技術本身也仍有一些實際問題待解決,但重生衰老組織的動物實驗,已獲得鼓舞人心的成果。

讓細胞重新開始:
為培育胚胎幹細胞株,科學家需從囊胚取出內細胞團(這些囊胚通常是體外人工受精剩下的胚胎),將它們放在含有餵養細胞 (feeder cell) 的培養皿中,胚胎細胞會很快黏附在餵養細胞上。在幾天內,來自內細胞團的細胞會分裂出新細胞,並形成群體(上圖)。不過這些細胞要正式稱為胚胎幹細胞,還需符合兩個條件:它們要表現出幹細胞特有的標記;它們可進行數次細胞分裂或分盤培養,證明它們為穩定或永生的細胞株。

  一般認為複製是讓病患細胞重新得到胚胎潛力的方法。人體由超過 200 種細胞構成,在哺乳動物體內一旦細胞特化成某一種類型後,通常就再也無法回頭,也就是所謂的「終末分化」 (terminally differentiated) 。唯一的例外,是將未受精卵中的遺傳物質抽出,而以體細胞的細胞核取代,此時卵細胞會誤以為以為受精了,而像正常胚胎一樣開始分裂。來自這種胚胎的幹細胞,將含有捐贈者體細胞核的 DNA ,但這些新的細胞將可以「重設程式」,回到具幹細胞特質的狀態,能夠產生任何類型的組織。

  藍札(本文經作者之一)最近就證實,將來自複製小鼠胚胎的部份分化幹細胞,注射入提供體細胞核的小鼠的心臟時,這些細胞會移動到因心臟病發而受損的部位,並在一個月內,以健康的心臟組織修復了 38% 的傷疤。而第一個經「體細胞核轉植技術」 (somatic cell nuclear transfer, SCNT) 製造的人類胚胎幹細胞株,也在今年誕生了。科學界有少數人曾懷疑,細胞核轉植技術能否適用於靈長類,以製造醫療性的幹細胞。而韓國漢城大學的黃禹錫和他同事,則證明這項技術在靈長類也是可以辦到的。這支韓國研究團隊在今年二月時宣佈,他們利用 SCNT 製造了人類胚胎,並將它培養至囊胚期,然後從中培植出一支具多能性的胚胎幹細胞株。他們的成果是一項重要的里程碑,但也同時顯示出我們仍面對著許多未知。

  由於黃禹錫的團隊取得了 242 個捐贈卵,讓他們能以實驗得到每一步驟所需的技術、時間和條件,即使如此,從數百個卵子中,他們也只得到一個胚胎幹細胞株,這些研究者還說他們,不確定是靠哪一種方法才成功。如果要重設卵子的發展,還有很多神秘機制需要了解﹔在製造和培養細胞核轉植胚胎時,任何步驟都有可能出錯。

  科學家仍然無法確定,重設程式本身或處理胚胎的其他過程,是否會引起基因突變,使得胚胎幹細胞容易老化或癌化,我們需要更多的研究來檢查這些潛在的問題。在使用帶有遺傳性基因突變(例如血友病或肌肉營養性萎縮症)患者的細胞來製造胚胎幹細胞之前,也需要先矯正缺陷基因。不過,常利用在小鼠胚胎幹細胞上的特定基因修正技術 (gene-specific modification) ,也曾經成功地應用在人類的胚胎幹細胞上,提供了安全矯正突變的方法。

  另一個受到質疑的問題,是由複製胚胎而來的幹細胞的整體健康狀況。因為經由複製產生的動物,有格外高的畸形率和死亡率。然而為了測試複製胚胎幹細胞株的潛能,而將細胞注射到發育中的動物囊胚時,產生的動物看來完全正常。這個結果顯示雖然生殖複製的結果難以預測,顯然不適用於人類,但從細胞核轉植胚胎產生的幹細胞,至少就醫療目的而言,是與正常胚胎幹細胞相等的。

  另一個不牽涉 SCNT 或體外人工受精胚胎的技術,也有類似的安全顧慮。在孤雌生殖 (parthenogenesis)的技術中,未受精的卵可利用化學藥品處理,而像受精後一般的開始分裂,這樣的偽胚胎或「孤雌生殖胚球」 (parthenote) ,比用 SCNT 產生的胚胎容易培養。在動物實驗中,孤雌生殖胚球產生的胚胎幹細胞,在培養時也能夠分化成多種細胞類型,並通過畸胎瘤測試,形成來自三個胚層的細胞。

  一般正常體細胞有來自父親的一組染色體和母親的一組染色體,而孤雌生殖胚球則含有二組母親的染色體,這種重複性讓胚球有足夠的基因,但也讓胚球在植入子宮後無法存活。染色體只來自母親,這意味著孤雌生殖胚球細胞的抗原組合,可能只有正常胚球的一半,比較容易與病患的免疫系統相容,因此只需不到 1000 個來自孤雌生殖胚胎的幹細胞株,就足以建立與大部份美國人免疫相容的細胞庫。

  還要多久才能進行胚胎幹細胞醫療法的人體測試,除了要看科學方面的問題何時可解決外,政治也是影響因素(參見前頁〈政治,是幹細胞研究的最大阻礙〉)。我們所知較多也較易控制的細胞類型,像是製造多巴胺的神經細胞,或視網膜色素上皮細胞,可能在兩年內即可進行人體試驗。同時,科學家也開始找尋成人體內參與正常修補工作、並具有類似胚胎幹細胞驚人重生潛力的細胞。

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資料收集整理: 新竹市脊髓損傷者協會 戚啟禮

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