神奇的幹細胞：活躍的造血幹細胞
96/06/06
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姚少凌｜
食品工業發展研究所生物資源保存及研究中心
黃效民｜
食品工業發展研究所生物資源保存及研究中心
科學家針對具有形成各種血液細胞能力的幹細胞－造血幹細胞的研究，已經有超過50年的經驗，並有足夠的知識和經驗應用於臨床治療上。西元1945年美軍的兩顆原子彈如同死神般降臨日本的廣島與長崎，一方面結束了第2次世界大戰，另一方面也開啟了造血幹細胞研究的濫觴。當時便發現人類經過大量放射線的照射後，會造成染色體變異與造血系統傷害的後遺症。
在50年代，科學家在老鼠的試驗中，確認放射線對生物體最直接的傷害是造成骨髓造血功能的破壞，奠定了在60年代造血幹細胞的發現與骨髓移植的基礎。之後科學家發現不僅在骨髓中，在經過顆粒性白血球群落刺激因子（G-CSF）藥物施打後的周邊血液，或是在新生兒的胎盤臍帶血液中，同樣可以找到豐富的造血幹細胞，並可取代骨髓移植。自此之後「骨髓移植」正名為「造血幹細胞移植」，成為所有幹細胞在臨床應用上的領先者。
造血幹細胞的特性
人體內的血液約占體重的7～8％，以60公斤的成人而言，約有4,200至4,800 c.c.，血液分為血漿和血球兩部分。血漿略呈淡黃色，其中約有9成是水，其餘的大部分是血漿蛋白（包括許多抗體、激素、酵素等），以及微量的養分、代謝廢物與氣體。
血球可分為淋巴系血球與髓系血球。淋巴系血球包括B淋巴球、T淋巴球與自然殺手細胞，構成人體的免疫系統，循環全身，搜捕外來的抗原物質，並產生免疫反應把它消滅掉。髓系血球分為紅血球、白血球和血小板，分別具有協助氣體運輸、防禦疾病、血液凝固等功能。
不同的血球細胞有不同的生命周期，從數小時到數個月都有，人體內每天必須產生約1千億個血液細胞，以補充血液細胞正常的老化與耗損，並達到人體正常的生理平衡。這麼大量血液細胞的生產，全部仰賴一群極少數的造血幹細胞，由此可見造血幹細胞在人體內的重要性與活躍的程度。
造血幹細胞是指在血液或骨髓中具有下列能力的細胞：能自我更新，即細胞在分裂後的子代中，其中至少一個子代細胞保持與未分裂前相同的特性，並且能不斷地分裂；能分化成多種特定的血球細胞；能從骨髓移動到周邊循環血液中以及回歸到骨髓中的能力，這是造血幹細胞移植的重要基礎。
造血幹細胞在人體內定居的位置是骨髓，約占骨髓中單核細胞的百分之一，極少數的造血幹細胞會出現在周邊血液中，約占周邊血液中單核細胞的千分之一（若經過G-CSF藥物的刺激，可以提升10倍，這是周邊血液造血幹細胞移植的來源）。至於原本視為產後廢棄物的臍帶血，在發現其中含有比率接近骨髓的造血幹細胞後，一夕之間廢土變黃金，不僅帶動了臍帶血保存銀行的蓬勃發展，也為造血幹細胞移植提供了更多樣化的選擇。
造血幹細胞的判定
最早造血幹細胞的研究瓶頸在於判定何種細胞是造血幹細胞，以及何種不是，且僅能知道在一群細胞中是否含有造血幹細胞，這個瓶頸的關鍵點在於血液中造血幹細胞的數量非常稀少。
為了突破這個瓶頸，科學家開始研發各種的測試方法來判定造血幹細胞，最早可以追溯到1960年代，主要是針對造血幹細胞的定義與特徵進行探討。造血幹細胞外型與生理表現上類似白血球，因此很難利用型態上大小與形狀的差異來分辨造血幹細胞。造血幹細胞的判定多半需要長時間的測試，在實驗室中，通常藉由是否具有進一步分裂與分化的能力來判斷是否為造血幹細胞。
體外的測試是在一個模擬骨髓的環境中培養細胞，這個環境通常是由老鼠的纖維母細胞或是人類的其他細胞所組成的，經過6周的培養後，能夠存活下來的細胞就被視為具有長期分裂能力的細胞。接著把存活的細胞種入含有特殊生長條件的半固態軟膠培養基中，經過兩周的培養，若能形成各種不同血球前驅細胞的群落，就代表這些細胞具有進一步分化成特定血液細胞的能力。同時具備長期分裂與特定分化能力的細胞，基本上才可認定是造血幹細胞。
在動物實驗中，多年來用來判斷從老鼠骨髓中取得的細胞是否為造血幹細胞的「黃金標準」，是把細胞移植到經放射線照射破壞自身造血功能的老鼠體內，如果老鼠能恢復健康，且體內能重新生產各種型態並帶有捐贈細胞基因標誌的血球細胞，就可以認定移植的細胞中包含了造血幹細胞。同樣地，把人類造血幹細胞移植到經放射線照射後的老鼠體內，可用來測試這些細胞在老鼠生命周期中的自我更新與恢復造血功能的能力。但是在人類長達數十年的生命周期中是否具有相同的結果，至今仍是一個相當大的疑問！
在臨床上，由於時間上的緊迫，必須快速地判定細胞的量和特性是否適合移植，因此判斷是否為造血幹細胞的指標通常是根據細胞表面抗原的表現。最常做為判定的抗原是CD34，是一種細胞膜表面上的特殊蛋白。一般而言，移植的標準是每公斤的病人需要500萬個帶有CD34表面抗原的細胞，才能保證移植的成功率。
許多的證據顯示，雖然造血幹細胞都帶有CD34表面抗原，然而並非所有帶有CD34表面抗原的細胞都是造血幹細胞。經過長期的研究，逐漸發現真正的造血幹細胞的表面抗原表現應該是同時帶有CD34、CD90、CD133，以及不帶有CD38的細胞。利用細胞表面抗原的表現也只能做粗略的判斷，直到現在，屬於造血幹細胞特有的專一表面抗原尚未發現。
造血幹細胞的應用
造血幹細胞的功能是負責生產各種成熟的血球，以維持血液系統的正常生理功能。舉凡各種跟血液有關的疾病，或多或少都與造血幹細胞的異常有關，因此大部分都能藉由正常造血幹細胞的移植來達到治療的目的。這類的疾病包括常見的白血病與淋巴瘤（也就是通稱的血癌）、遺傳性的貧血與代謝異常（如鐮刀型貧血、Fanconi氏貧血、黏多醣症等，其中Fanconi氏貧血是世界第1例利用臍帶血移植來治療的疾病），以及自體免疫性疾病（包括類風濕性關節炎、紅斑性狼瘡等）。
在治療上，病人先經過放射線治療或化學治療，並盡可能地用最大限度來破壞異常的骨髓造血系統，然後再進行正常造血幹細胞的移植，以進駐之前骨髓所清出的空間來發揮功能，恢復病人正常的造血能力。通常移植的造血幹細胞必須經過人類白血球細胞表面抗原（HLAs）的比對，以降低病人的免疫排斥反應。
所謂的人類白血球細胞表面抗原，簡單來說就是白血球的血型，一共有6個位點，病人與捐贈者的比對必須達到6個位點完全符合，才能進行骨髓或是周邊血液造血幹細胞的移植。通常在親兄弟姐妹中，約有四分之一的機率可以完全符合，至於無血緣者間比對相符的機會很低，大約是十萬分之一。由於新生兒的免疫系統尚未發展成熟，因此利用臍帶血移植的優點是在比對上比較寬鬆，只要達到4個位點以上的符合就能夠進行移植，這也是為什麼許多國家都有公營或私人的臍帶血庫的建置。
造血幹細胞應用的展望
造血幹細胞的體外增殖 造血幹細胞移植的成功與否，除了人類白血球細胞表面抗原比對是否符合外，另一個關鍵的因素就是造血幹細胞數量是否足夠。臨床上最常遇到的數量不足的情況有兩種，一是進行臍帶血移植的時候，二是癌症病人進行自體造血幹細胞移植的時候。
臍帶血中雖有較高比率的造血幹細胞，然而所能收集的血液體積有限（約100 c.c.或更低），導致移植時一般局限於體重20公斤以下的患者。此外，在癌症患者由周邊血液收集造血幹細胞以進行移植時，常常因為疾病的本身就屬於造血功能方面的疾病，導致所能蒐集到的正常造血幹細胞不足，無法達到治療效果。
因此目前在造血幹細胞的發展上，最急迫的就是開發符合臨床要求的造血幹細胞體外增殖培養系統，使少量且珍貴的造血幹細胞得以大量地增殖，以達到臨床移植數量的標準。
固態腫瘤的治療 造血幹細胞除了一般認為具有恢復造血的功能外，還有一個令人驚訝的特性，就是它能夠攻擊腫瘤細胞。在臨床上，針對患有轉移性腎癌的38名病患進行異體造血幹細胞的移植，發現約有一半患者的腫瘤體積會縮小。目前推測原因在於雖然病患體內的腫瘤能夠躲過自體免疫系統的攻擊而長大，然而新移植的異體造血幹細胞，能夠在病患體內建立新的免疫系統，具有對癌細胞進行毒殺的能力，也就是所謂的Graft-Versus-Tumor，進而抑制腫瘤的生長或是消滅腫瘤。
目前這類的研究已經擴展到其他固態腫瘤的治療，包括肺癌、前列腺癌、卵巢癌、結腸癌、食道癌、肝癌與胰腺癌，在未來相信可以為癌症的治療帶來新的療法。
基因治療 自1989年的第1例人類基因治療到目前為止，已有上千件的臨床試驗計畫，其中超過一半以上是針對癌症進行治療，也就是說基因治療應用於非遺傳性疾病更甚於遺傳性疾病，由此可見基因治療的多樣性與重要性。然而多年來的研究仍有許多待突破的瓶頸，例如病毒感染效率不佳、體外操作程序的複雜、外源基因無法長期表現、免疫排斥反應的產生等，其中又以無法達到全身性的矯正是最大的難題。
利用造血幹細胞做為基因治療的靶細胞，有著勝過以其他細胞做為靶細胞的優點，例如造血幹細胞具有自我更新與無限制分裂的能力，能解決外源基因無法長期表現的問題；並且當造血幹細胞分化為血液細胞後，是屬於全身性的分布與循環，能夠達到最大範圍的基因矯正。因此當前許多基因治療的計畫，都是以造血幹細胞為主要的研究對象。
多樣性分化 一般認為造血幹細胞只具有分化為各種血球細胞的能力，但是目前許多研究發現，造血幹細胞另外有著令人訝異的跨胚層分化能力，能夠分化成為非血液系統的細胞，例如血管內皮細胞、肝臟細胞、心肌細胞、神經細胞等。雖然這一部分的發現仍有許多爭議，有人質疑可能是細胞融合所造成的假象，或是這些現象並非單獨由造血幹細胞造成的，而是由多種的幹細胞或是更原始的幹細胞所表現出的結果。但無論是融合或是真正跨胚層分化能力，只要有醫療功能，都為再生醫學帶來無窮的希望。
血癌幹細胞的研究 血癌發病的原因，一般認為是體內造血系統的調控機制產生錯誤，造成特定的血球細胞大量增生，或是特定的血球前驅細胞無法進一步分化成熟。
近來有一些研究認為，血癌的產生是由一群血癌幹細胞所造成的。血癌幹細胞的特性接近造血幹細胞，會不斷地產生血癌細胞，導致病人在經過治療後有相當高的復發機率。因此有許多人提出針對血癌幹細胞的專一毒殺療法，來取代傳統全面性的破壞療法，希望能提高血癌的療效，並降低復發率和治療過程對病人的副作用。
由於血癌幹細胞與造血幹細胞的性質相近，因此對造血幹細胞長期的研發經驗，可做為研究血癌幹細胞的基礎，並且為開發血癌的新療法提供更有力的後盾。
經過五十多年來的研究與臨床試驗，造血幹細胞已經成為最被人們所了解的幹細胞，並且也是應用最廣的幹細胞。直到今天，依然不斷地有快速的突破與發展，也為許多新的臨床治療奠定了良好的基礎，甚至帶動了許多新興產業的出現。儘管如此，如何有效率地大量體外增殖造血幹細胞仍是首要的研究課題，也是突破許多研究與臨床應用瓶頸的利器。相信在眾多研究人員不斷的努力下，造血幹細胞的應用一定能發展得更「成熟」、「活躍」，為人類的生命帶來更好的保障。
