神奇的幹細胞：人造幹細胞
96/06/06
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沈家寧｜
中央研究院基因體研究中心
在去年美國大選期間，電影〈回到未來〉的主角米高．福克斯（Michael Fox）鼓吹選民投票給支持幹細胞（stem cells）研究的國會議員候選人。到底甚麼是幹細胞？為什麼幹細胞是美國大選的重要議題？
簡單來說，幹細胞是屬於發育初期的原始細胞，它之所以廣受矚目在於能夠自我更新，並且具有分化成為各式各樣細胞的潛力。為什麼福克斯大力鼓吹支持幹細胞研究，因為他在幾年前發現罹患帕金森氏症，這是一種神經退化性疾病，由於成年人的神經損傷之後就無法再生，因此這個疾病目前並沒有辦法根治。但最近發現幹細胞可以變成神經細胞，並且在移植到小鼠後，可以產生新的神經細胞以修復小鼠腦部組織的損傷，顯示幹細胞可以應用在修復人類受損的組織和治療棘手的退化性疾病上。
早在19世紀末，人們在研究海膽的胚胎發育時，就發現早期的胚胎細胞具有很大的潛力，能分化生成海膽各式各樣的細胞，當時這些細胞被稱做「未決定」細胞。隨著生物學的發展，科學家發現這些發育初期的原始細胞是各種細胞的發源之幹，因此就稱這些原始細胞為幹細胞。近年來，科學家發現幹細胞不僅存在於早期的胚胎中，也可以在許多的組織中找到，因此把從早期胚胎分離出來的幹細胞命名為胚胎幹細胞，而從皮膚、骨髓、臍帶血、角膜等成體組織所得到的幹細胞，就稱為體幹細胞。
科學家研究發現大部分從組織分離出來的幹細胞，只能變成有限的幾種組織細胞；但是，從早期發育的囊胚所分離出來的胚幹細胞就是多潛能幹細胞，能夠分化成為各式各樣的細胞。這些細胞在與纖維母細胞共同培養之後，能「長生不老地」在體外不斷增生，同時長期維持多潛能分化的特性及正常的遺傳組成。因此人們預期胚幹細胞將可廣泛應用在器官移植、新藥開發、基因療法、治療癌症等方面。
但是在分離人類多潛能胚幹細胞的過程中，基本上都會破壞卵子或初期的胚胎組織，因此認為是一種違反道德規範的科技。許多保守人士認為，即使人類胚幹細胞的分離最終是應用在治療棘手的疾病上，但其「扼殺」人類胚胎的行為仍然是有違倫常的！因此目前人類多潛能胚幹細胞發展所面臨的最大障礙，在於必須先製造並破壞人類胚胎才能分離並製造胚幹細胞。許多人權團體及宗教人士都認為，人類胚幹細胞的分離技術是違反善良風俗的生物科技，世界許多國家也都立法予以嚴格限制。
融合胚幹細胞的體細胞
杜斯妥也夫斯基在他的小說《卡拉馬助夫兄弟們》中提到：「如果你要營造一座造福人類的大廈，同時又必須殘害一個小生靈，並在他無法報償的眼淚上面建造，你願不願意呢？」在尚未證實人類胚幹細胞可用於治療棘手的疾病前，我們應該同意進行「破壞」人類胚胎的行為嗎？不少從事幹細胞研究的科學家也在反覆思考這個問題，思索著要如何克服「必須先破壞人類胚胎才能得到胚幹細胞」的瓶頸。
最近幾年，美國、歐洲及日本的科學家陸續投入發展「不用憑藉人類卵子，也毋須破壞人類胚胎」的方法，來製造新的多潛能幹細胞。其中美國哈佛大學醫學院的凱文．埃根（Kevin Eggan）博士的研究，引起了科學界的廣泛關注。因為他使用已經建立的人類胚幹細胞取代人類卵子，成功地使體細胞轉化為多潛能幹細胞。
埃根博士所採用的方法是使成人皮膚細胞和已經建立的人類胚幹細胞株進行融合，使得原本相對成熟的皮膚細胞核重新程式化至類似發育早期的狀態，也就是說產生的融合細胞株類似發育初期的原始細胞，可以不斷繁衍分化，並且能產生各式各樣的細胞。
為了證明融合細胞株類似多潛能幹細胞，埃根博士進行了幹細胞活性測定的實驗。首先他發現融合細胞株經過適當的誘導後，可以在體外分化成為神經、肌肉及肝臟的細胞。如果把融合細胞株注射入老鼠體內，老鼠也可以長出畸胎瘤。這些實驗證明了這群融合細胞株的確具有多潛能幹細胞的特性。
但是研究人員也強調，目前這方式仍然有技術上的障礙，因為這種融合細胞同時帶有原始胚幹細胞及皮膚細胞的染色體，一方面它們無法與病人的基因完全吻合，另一方面多兩套的染色體，可能會造成細胞生理異常。因此研究人員認為如果可以把多餘的染色體移除，這種轉化體細胞為多潛能幹細胞的方法才能應用在人類醫療的用途上。
桃麗複製羊成功的經驗，就說明了成熟的乳腺細胞可以經由細胞核移植技術，使體細胞核重新程式化，調整至類似發育早期的狀態，而重新獲得分化的潛能，最後可發育成為全新的小羊。日本的理化學研究所的科學家若山照彥教授，也在5年前利用小鼠實驗證明：「把體細胞核轉移到去核的卵子並活化後，可以在體外進行早期胚胎發育。而當發育到囊胚期時，把內細胞團取出體外培養繁殖後，可以變成多潛能胚幹細胞。」
其實這就是治療性複製的基本概念，利用細胞核移植技術建立的幹細胞，具有跟原始的體細胞一樣的染色體，也就是說與提供體細胞的病人基因完全吻合，因此可以用來進行移植。
目前的小鼠實驗印證，可以利用這樣的方法建立的多潛能幹細胞，來進行小鼠疾病的治療，而且在許多不同種類哺乳動物的研究中，也發現可以利用卵子來進行細胞核移植技術以複製動物。雖然目前在人類尚無成功的例子，但理論上應該可以進行治療性複製。
這方法同樣需要使用卵子來進行，而且在實驗過程中需要製造胚胎，從衛道人士的角度來看，這也是扼殺了潛在的生命個體，因此仍然會產生技術局限和倫理爭議；此外，如果有心人士把這些胚胎植回子宮，則會引發複製人類的顧慮。雖然這種轉化體細胞為多潛能幹細胞的方式，能夠為病人打造真正的「自體幹細胞」，進而應用到疾病治療上，但因製造的過程會引起更大的爭議及後遺症，所以目前除衛道人士強烈反對外，許多國家政府也立法禁止相關技術的研發。
誘導體細胞轉化
人們常以希臘神話中能不斷變換形貌的海神普羅特斯（Proteus），或是在西遊記中能七十二變的孫悟空來形容幹細胞的分化能力，其實幹細胞為什麼具有分化的特性，是當前科學家全力想解開的謎團之一。
雖然有許多的證據顯示，幹細胞的分化必須藉由外在訊號的誘導才能進行，但是許多體細胞的功能也同樣需要仰賴這些訊號的調控，因此如何從特定基因的表現上找出幹細胞與體細胞的差異，便可能解開幹細胞為何能「青春永駐」的祕訣。接下來就可以利用這些特定的基因，讓其他體細胞也能「返老還童」變成幹細胞。
其實發現體細胞核移植至卵子或與胚幹細胞融合後，可以使體細胞核重新程式化，變成類似發育早期的原始細胞，就表示未受精的卵子和胚幹細胞可能包含一些成分，而這些成分可以使成熟的體細胞核重新程式化。科學家們推測這些成分可能就是幹細胞能夠分化的關鍵。最近挪威奧斯陸大學的教授菲利普‧克拉斯（Philippe Collas）及日本京都大學的山中伸彌教授（Shinya Yamanaka），就依據這樣的觀念，成功地使成熟的體細胞轉變為多潛能幹細胞。
克拉斯教授所使用的方法是先把胚幹細胞內的蛋白質萃取出來，因為他認為這些蛋白質帶有調節幹細胞分化的關鍵因子，然後再把蛋白質送到腎臟細胞內，並利用基因微陣列去比較這些腎臟細胞的基因表現。結果他發現這些腎臟細胞變得很像胚幹細胞，另外他也發現這些細胞經過適當的誘導後，可以分化成為神經、脂肪及軟骨細胞，缺點是這些細胞並不能在體外長期增生並維持幹細胞的特性。
京都大學的山中教授認為應該使用基因來轉化體細胞，他是最早發現胚幹細胞的不朽基因（Nanog）的科學家，因此他依據先前尋找不朽基因的經驗，選出了與「調控胚胎發育與胚胎幹細胞特性」有關的24種基因做為目標，認為從這些基因中能夠找到誘導體細胞轉化為幹細胞的關鍵因子。
他把這些基因分批送入皮膚細胞，結果發現如果同時送入其中的4種基因（Oct4、Sox2、c-Myc、Klf4），就可以使成年小鼠皮膚纖維細胞具有多潛能分化特性。而這些基因誘導形成的幹細胞，在適當的細胞訊息誘導下，可以分化發育成為神經、肌肉及肝臟細胞，如果把這些細胞移植到小鼠的皮下組織也會產生畸胎瘤。把這些基因誘導形成的幹細胞注入發育中的囊胚後，這些細胞就跟早期發育的原始細胞一樣，也能夠參與小鼠胚胎發育。
不過山中教授也提出：「我們仍然不知道的是，人類的這4種基因是否可以誘導人類體細胞成為多潛能幹細胞？而且這4種基因中的c-Myc基因與人類癌症的形成有關，因此在現階段無法取代這個致癌基因之前，這個誘導體細胞成為幹細胞的方法並不適合直接應用在臨床治療上。」
由奧斯陸大學的克拉斯教授及日本京都大學的山中教授的研究結果，可以進一步了解幹細胞是透過特定基因來控制分化的進行。因此在未來應可藉由這樣的方式把病人的體細胞轉化為幹細胞，以發展疾病的自體移植治療。
人類的多潛能幹細胞預期可以應用在很多疾病的治療上，特別是帕金森氏症、脊髓損傷、糖尿病等棘手的疾病。除了胚胎的使用會面臨許多倫理爭議外，移植至病人體內所造成的組織排斥反應，也是必須考量的因素。如果能直接從患者獲得體細胞並轉化為多潛能幹細胞，這些問題也許就能迎刃而解。但是幹細胞分化調節極為複雜，而且多潛能幹細胞在移植到小鼠的皮下組織後會導致腫瘤的產生，就算使用「人造多潛能幹細胞」，也必須克服產生腫瘤的問題。
相對而言，利用體幹細胞進行疾病治療，也許是另一個不錯的選擇。目前發現可以從人的骨髓、角膜、臍帶血、羊水等組織中分離出體幹細胞，已經應用在循環系統疾病及角膜缺損的臨床治療上。另外在帕金森氏症及糖尿病的動物疾病模式的研究中，也印證體幹細胞可以用來進行移植治療。
然而就現階段而言，廣泛利用體幹細胞進行疾病治療，可能也會面臨不同的技術瓶頸，包括體幹細胞的來源有限，體幹細胞的培養與增殖極為不易，以及體幹細胞的可塑性可能是源自於幹細胞與體細胞融合所產生的。也就是說以體幹細胞做為治療手段時，還是具有對健康影響的不確定因素，因此唯有更進一步釐清幹細胞生長、分化的過程，才能把自體幹細胞應用在疾病的移植治療上。
細胞轉分化
近幾年科學家發現有一些體細胞會在組織受損或器官再生的過程中改變其型態，這個現象稱為轉分化。在一些胃炎或胃潰瘍病人的胃部常會發現一種小腸化生的症狀，也就是部分胃細胞轉變成為小腸細胞，這就是「轉分化」所造成的。另外在兩棲類動物方面，當眼球水晶體被移除後，牠們的虹膜色素上皮細胞也能轉分化為水晶體上皮細胞來修補受損的水晶體。這些現象告訴我們，「如果控制組織發育的轉錄因子發生改變，可能會使體細胞的分化狀態產生變化」。因此在體幹細胞的來源有限的情形下，轉分化也會成為器官移植中獲取替代細胞的重要選擇。
筆者目前從事肝胰臟轉分化機制的研究，基本上在胚胎發育的過程中，肝臟與胰臟都是起源於內胚層的細胞，而且在胰臟癌化的過程中，有轉分化產生肝細胞的現象。我們發現經由基因重新程式化或控制微環境的方式，肝臟與胰臟細胞在體外就能互相轉分化。有趣的是，在轉分化的過程中所產生的細胞，會具有組織幹細胞的特性，但這並不是細胞融合的結果。比如說胰腺細胞轉分化而形成的肝臟細胞，可表現多種肝臟酵素，並且在動物實驗中發現可能可以取代目前的肝移植，進行肝損傷的治療。另一方面，肝臟細胞轉分化產生的胰臟細胞，也可以用來治療糖尿病小鼠的高血糖症狀，顯示轉分化細胞也具有醫療應用的價值。
人類有將近三百多種的細胞，每種細胞都有特化的功能。除了研究如何以「不易獲得」的幹細胞來修復受損組織外，另一項可行的替代方案就是利用身體已特化的健康體細胞進行轉化，來取代受損或死亡的組織細胞。在幹細胞研究中最大的問題就是「如何使成熟細胞返老還童」，如果找到一種人為的方法，可以「不用破壞胚胎」而能使數量較多的成人體細胞轉化為多潛能幹細胞，甚至特定的組織細胞，這在細胞治療發展上將有其重要意義。最近這些證明體細胞可轉變為多潛能幹細胞，或轉分化為特定組織細胞的研究成果，巧妙地跨過那些「阻礙幹細胞科技發展」的法律和道德門檻；如果科學家能進一步地克服幾個後續的技術障礙，這些「人造幹細胞」將可大量地應用在棘手疾病的治療上。
