幹細胞與臍帶血
93/01/14
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侯劭毅｜
臺北科技大學化學工程與生物科技系
人的器官免不了有損壞的時候，所以器官移植有時是不可避免的。可是一個有心臟病需要心臟移植的病人，非得等到有人過世捐贈心臟，才能進行移植手術。目前器官移植最大的問題就是捐贈器官的人太少，這種短缺造成了病人必須等待很長的時間，有的甚至會等不及，這種狀況在美國、台灣、以及世界各地都是非常嚴重的。
我們常常聽到一些傳言：西方國家的有錢人到第三世界去買器官；甚至前幾年網路上盛傳，美國某位健康的男人被色誘到旅館，早上起來發現自己的腎臟或其他器官不見了。這些傳言不管是真是假，都反映出一個很嚴重的事實，就是器官捐贈的缺乏。事實上，在美國每年約有四十萬名等待肝臟移植的病患，能成功進行肝臟移植的卻僅有一千名左右。有沒有可能在實驗室中培養出一個器官，就像在工廠生產一些零件一樣，不需靠人捐贈，以供移植呢？
培養器官的理論依據
由於卵子和精子結合以後形成一個受精卵細胞，經過十月懷胎發展成一個嬰兒，因此我們知道，即使是人這樣一個複雜的個體，也是從一個細胞發育而成的。所以在實驗室中，將一個細胞培育成一個器官，似乎也是合乎道理的。但是很奇妙的，人一旦成長以後，身體的細胞，即體細胞，例如皮膚的各式細胞、各種的血液細胞等，在繼續分裂的時候，只會變成原來的細胞。比方說真皮細胞只會變成真皮細胞，不會變成皮膚的其他細胞，在這樣的狀況下，人類要如何培養出一個完整的組織或器官呢？
研究顯示，幹細胞提供了一個可能的解決方案。
幹細胞是什麼
所謂幹細胞（stem cell）就是本身能夠分化成不只一種細胞的細胞，比方說血液幹細胞可以分化成紅血球、白血球甚至血小板，皮膚的幹細胞就可以分化成皮膚上各式各樣的細胞。
現在雖然尚未發現任何一種幹細胞可以變成器官，可是有沒有可能透過研究來發現這樣的幹細胞呢？我們可以從探討受精卵的發育開始，受精卵既然可以變成一個個體，也就是變成人類所有的細胞，所以我們稱受精卵具有全能性。
受精卵在一變為二的時候，這個全能性還是保留著，實際上孿生雙胞胎，就是受精卵在一分為二的時候，失去彼此間的聯繫，然後各自又發展出完整的個體，所以孿生雙胞胎會長得一模一樣。事實上，受精卵由一變為二，二變為四，四變為八的過程中，這八個最初的細胞都還具有全能性。一直到變為三十二個細胞的時候，其中十六個細胞在外圍，十六個細胞在內部，在外圍的細胞會發展成胎盤等，在內部的十六個細胞雖然沒有辦法變成完整的個體，也就是失去了全能性，但是他們還是可以變成大部分的組織或器官。像這樣功能很多的細胞，我們稱為多功能幹細胞。
這些幹細胞再繼續發展、分裂，就形成上面提到過的血液幹細胞以及皮膚幹細胞等等，而這些幹細胞再進一步分化成各式各樣的體細胞、組織以及器官。從這個角度來看的話，如果我們能得到全能細胞或是多功能幹細胞，然後做進一步的研究，就有可能發現如何從一個細胞發展成一個器官。
幹細胞研究的里程碑
一九九五年，美國國會通過一個法令，禁止政府以經費資助人類胚胎的研究和應用，這個禁令遲緩了這一方面的研究，因為政府一向是提供研究經費最大的來源。不過私人的生技公司仍持續投入經費，到了一九九八年十一月的時候，湯姆森（James Thomson）博士和吉爾哈特（J. Gearhart）博士各自在美國非常有聲望的《科學》期刊和《美國國家科學院院報》上發表論文。他們的研究，各自從不同的來源，得到了多功能的幹細胞，並且可以在實驗室中存活。
湯姆森博士從人工受精診所得到胚胎，這些胚胎原本是不孕症父母預備用來繁殖後代的，由於準備得較多，手術後有剩餘，本來將被銷毀。但在得到捐贈者的同意之後，研究人員由這些胚胎內部的十六個細胞中，得到了多功能的幹細胞。吉爾哈特博士則是從醫院得到合法墮胎的胚胎，他從原本會發育成睪丸或卵巢的區域取得原始生殖細胞，也具有多功能幹細胞的特性。
美國幹細胞研究的進展與規範
這兩篇報告刊出後，引起了社會大眾和科學界很大的騷動，世界各國的新聞媒體都爭相報導，引述專家學者的話，說明這個技術可能可以解決人類的器官移植時器官短缺的現象。
有鑑於此，美國國家衛生研究院在一九九九年初召開了兩次的公聽會，說明幹細胞的發展過程和可能的應用，以及對目前學術和產業界的衝擊。他們認為美國政府應該適當地加以規範和補助，如果美國不加入幹細胞的研究，很有可能在公元二○○○年後，會喪失生物技術和生命科學上的龍頭地位。因此美國衛生署裁定人類胚胎幹細胞研究不受一九九五年禁令的約束。
但是為了規範人類幹細胞的研究，當時的美國總統柯林頓要求美國國家生物倫理委員會對這個議題做進一步的研究。這個委員會遂在一九九九年九月，公布了人類幹細胞研究的倫理規範。
他們認為人類幹細胞的研究可以解決很多醫療上的疾病，所以希望美國可以繼續進行這方面的研究。但是另外一方面，他們也認為不能因此而去犧牲那些尚未成形的生命，所以明確地要求研究人員在運用政府經費的時候，只能從合法的墮胎或是不孕症治療時要銷毀的胚胎裡面去取得幹細胞。不能因為研究所需，而以任何方式產生胚胎。不准許買賣胚胎細胞，也不能夠提供捐贈者醫療上或金錢上的代價，且研究機構須有相關的倫理規範委員會審核此類研究。
二○○一年八月，美國總統布希針對「人類胚胎幹細胞」的議題，同意美國政府可以有條件地資助幹細胞的研究，但是他限制了胚胎幹細胞，即多功能幹細胞，必須是現有的，不可以再取得新的胚胎幹細胞。他認為這樣子就沒有毀掉胚胎的疑慮。
這個決定至少有兩方面的影響，一方面限制了多功能幹細胞的數量，不但新的研究人員難以踏入這個領域，也使得研究的範圍與規模難以擴大。多功能幹細胞的研究進展很可能因此變慢，所以在這樣的情況下，美國的一些研究人員可能會離開美國，到限制較少的國家，如日本、中國、英國等，進行研究。另外一方面美國政府會投入更大量的錢研究幹細胞，而血液幹細胞、皮膚幹細胞等幹細胞的來源就比多功能幹細胞豐富許多。因為研究經費的增加，使得這些幹細胞的研究發展很可能會更迅速。
血液幹細胞–臍帶血
我們剛提到的血液幹細胞，最常見的來源是臍帶血，又稱為胎盤血。嬰兒出生的時候，胎盤或臍帶的血液裡面有很多的血液幹細胞，臍帶血的療效就是因此而來。臍帶血療法最早是一九八八年在法國成功地應用在一位罹患Fanconi氏貧血的兒童身上；美國在一九九○年及一九九三年也成功地利用臍帶血醫治了一些兒童，從此臍帶血療法就有了比較蓬勃的發展。它主要應用於跟血液有關的疾病，比方說各種貧血症，如鎌刀形細胞貧血症、Blackfan-Diamond氏貧血症、Fanconi氏貧血症與血癌等。
血液幹細胞有沒有可能改變它自己的分化途徑，生成其他的體細胞，像真皮細胞，而不只是生成紅血球、白血球和血小板呢？目前在動物方面的研究顯示這是有可能的。舉例而言，把老鼠的神經幹細胞放到骨髓裡面，可以生長成各式各樣的血液細胞；而老鼠的骨髓幹細胞可以變成肝細胞、肺細胞、小腸細胞和皮膚細胞，幾乎可以變成任何的細胞。動物實驗顯示這些幹細胞有可能變成其他的細胞，雖然在人類方面尚未發現這樣的情形，不過還是有可能成立的。換句話說，血液幹細胞有可能變成多功能幹細胞。
多功能幹細胞的研究與應用
當然多功能幹細胞的研究及應用會比血液幹細胞來得寬廣許多。我們可以把它分成三大類，即基礎研究、對新藥物的研發及安全測試以及關於器官移植方面的研究及應用。
在基礎研究方面，多功能幹細胞的研究能幫助人類了解，從一個受精卵細胞到發展成一個嬰兒如此複雜的過程中所發生的事件，最主要的工作在於找到細胞發展過程中的決定因子。比方說為什麼有些細胞會發展成白血球細胞？有些細胞會發展成血小板細胞？哪些基因在這些過程是打開的或是關起來的？哪些基因決定上述基因的開或關？有很多重要醫療方面的問題，比方說癌症，都是由於細胞在變成特定細胞的過程中出現了一些不尋常的現象，例如癌細胞是分裂過程不受控制。透過這些基礎的研究，人類可以知道為什麼幹細胞可以變成體細胞，這個過程中，到底有哪些基因是打開的，哪些是關起來的。
多功能幹細胞的研究也能夠影響到藥物的發展以及測試他們安全與否。舉例來說，藥物開發過程中，藥物安全性的分析，亦可由特定幹細胞或由幹細胞分化的專一細胞作為試驗的標的，而非傳統上必須進行耗時費力又昂貴的動物實驗。
第三類或許是最重要的，也是最令人興奮的。多功能幹細胞有可能產生新的細胞、組織或是器官。就像前面所說的，我們需要器官移植，但是器官的短缺限制了移植手術而產生了很多不幸。多功能幹細胞經過刺激以後，可以發展成特定的細胞。對於很多疾病來說，它都是一個新的治療方式。
比方說帕金森氏症、老年痴呆症，這些病本身是腦神經細胞死亡所造成的，如果我們能拿到神經幹細胞，將它放入患者的腦部，讓它長出新的神經幹細胞，就有可能治癒這樣的疾病。此外中風、心臟疾病、糖尿病還有很多其他各式各樣的疾病，也可應用多功能幹細胞。
我們就以心臟病為例，科學家把一個多功能幹細胞植入有心臟病的老鼠體內。這隻老鼠的心臟有部分肌肉壞死了，科學家把多功能幹細胞植入壞死的肌肉組織裡面，發現多功能幹細胞能夠逐漸重新生長組織，又能夠跟原來的細胞和平相處，一起愉快地工作，這些實驗顯示這一類型移植的可能性。換句話說，以後心臟疾病不見得需要把整顆心臟換掉。醫生可以找到心臟上不妥的組織，然後把多功能幹細胞植入，希望它能發展出所需要的組織，這不是科幻小說，而是不久的將來就會發生的事。
總而言之，將來如果我們需要器官移植時，科學家可以從病患體內取得幹細胞，在實驗室中將其培養成多功能幹細胞，進而培養成我們所需的器官。當然這樣的想法，還需要很多的研究，也無法知道什麼時候可以到達這個目標。但是科學界正積極地進行這方面的研究，並且輔以新的研究利器，如生醫晶片等，因此可以期待這方面將會不斷有突破，終將解決移植器官短缺的問題，這就是科學發展可以增進人類福祉的地方。
