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神奇的幹細胞：胚幹細胞的建立

96/06/06 14610

蘇鴻麟｜中興大學生命科學系

冬日墾丁國家公園的步道上，常可以發現石龍子和蜥蜴正懶洋洋地、一動不動地曬著太陽。如果您想抓牠，且緊追不捨，有時石龍子在情急之下，就會演出一場讓您或掠食者分心的「斷尾求生」的把戲。這種神奇的伎倆卻沒有一種哺乳動物學會，即使是齧齒類的老鼠，也從沒見過尾巴被貓吃掉會重新長出來的。

事實上，對較低等的脊椎動物而言，如青蛙、蠑螈等兩棲類，前肢截斷後再長出新的手臂，或眼球的晶體移除後再長出一個完整的眼睛，並不是件難事。甚至更極端的例子，腔腸動物的水螅與扁形動物的渦蟲即使被腰斬，也可以再長出一個新的個體。這種神奇的再生能力，令早期的生物學家著迷和困惑不已。

為甚麼身為萬物之靈的人類卻如此脆弱，輕微挫傷，皮膚就會留下永久的疤痕，嚴重外傷，甚至有生命的危險呢？為了解釋這個現象，先講兩個人的故事，發育學家史卑曼（Hans Spemann）和胚胎學家史帝文思（Leroy Stevens）。

生命的開始起源自精卵的結合，而一顆受精卵在不斷的分裂和發育過程中，逐漸形成個體，因此一顆細胞是可以形成一個完整個體的。但這種形成完整個體的能力，在發育過程中，是何時喪失的呢？在1920年左右，史卑曼博士有著相同的疑問。由於當時的顯微鏡並不先進，只能觀測兩棲類的受精卵。

他拿蠑螈的受精卵做實驗，用他心愛女兒的頭髮當作小細繩，綁在受精卵的中央，使得此時的細胞核只位於細胞的一側。另一側的細胞中沒有細胞核，無法分裂。等具有細胞核的單側受精卵分裂到第8個細胞時，他再稍微鬆開髮結，形成可以容納一顆細胞通過的通道，再非常小心地把分裂後8顆細胞中的1顆，推擠到沒有細胞核的一側，再重新綁緊整個受精卵，分成含有1顆細胞與7顆細胞的兩個細胞團。結果發現，兩者都可以長成完整的個體。這個實驗證實，受精卵分裂成8顆細胞時，每一顆細胞都有能力形成一完整的個體。

目前已知哺乳動物的8顆細胞和16顆細胞時期，是一非常重要的分界點。16顆細胞時期，位於外圍的細胞會分化為滋養層細胞，日後形成胎盤組織，這也是哺乳類動物細胞在發育時期第1次喪失「全能性」及第1次的分化。受精卵的子代細胞繼續分裂，就會分化至桑椹期、囊胚期及原腸期，而形成外、中、內3種胚層，再分別分化為身體的神經與表皮、肌肉與骨骼、以及體內的各種臟器。

細胞在特化的過程中，逐漸失去分化為其他不同細胞的能力。例如神經細胞就不會再轉變為肌肉細胞，軟骨細胞也不會變成肝臟細胞。

但是這種個體發育過程中，細胞特化而逐漸失去分化為多種細胞的能力的階級概念，卻無法解釋發生在一種非常特別的老鼠身上的腫瘤細胞－129品系老鼠的睪丸惡性畸胎瘤。畸胎瘤十分少見，常發於生殖器官中，它的細胞組成千奇百怪，有骨骼、肌肉、神經、腺體、頭髮、牙齒等。在人類身上，常發生於女性的卵巢中，且大都是良性腫瘤。

西元600年到900年間的迦勒底皇家圖書館就已有畸胎瘤的歷史紀錄了，當時畸胎瘤也許被視為惡魔的種子。試想一個女人肚子裡有一個長毛的肉球，有可能還會自行跳動，而且還有牙齒在上面，對當時民智未開的人來說，是多麼可怕的事情。

為什麼會有這麼可怕的腫瘤呢？這種腫瘤到底是從哪裡來的呢？為什麼會有這麼多不同的細胞在一個腫瘤裡呢？這些問題一直困擾著生物學家。一直到1954年，在美國緬因州傑克森實驗動物中心的史帝文思，才開始解開這個腫瘤的神祕面紗，也為今日遺傳學和胚胎幹細胞學的研究開展了一個新的世紀。

他第1次發現這種奇特的腫瘤只在129品系的公老鼠體內才容易發生，而129品系的老鼠也是畸胎瘤的第1種實驗動物。由於畸胎瘤常在生殖器官中發現，他便推測這些雜亂無章的細胞群可能來自共同的祖先–原始生殖母細胞–而非由成熟睪丸中的細胞分化而成。為了證實這個假說，他解剖了上萬隻老鼠胚胎，發現約有1／100的機會，可以在睪丸中的不正常位置，出現一些小而圓、細胞核對細胞質比例相當高、分裂快速的細胞。

隨著腫瘤的日益增大，這些細胞開始分裂與分化成各種不同的細胞與組織。更重要的是，如果把這種早期的原始生殖母細胞取出後，移植到另一健康老鼠的身上，一顆細胞便可以造成畸胎瘤，而這也證實了原始生殖母細胞可能是畸胎瘤的起始細胞。當時在病理學上，就把這種可形成畸胎瘤的細胞稱作惡性胚胎瘤細胞。在早期胚胎睪丸的輸精管中，惡性胚胎瘤細胞會聚集成一群細胞團，稱為類胚胎體，日後就會發展成畸胎瘤。

在早期小鼠的發育過程中，胚胎第11天到12天左右，生殖母細胞會從內胚層後腸附近的胚胎外組織移行入中胚層的生殖脊，進而分化為卵巢或睪丸。如果把尚未有生殖母細胞的生殖脊移植到另一隻小鼠的腹部，則不會有畸胎瘤的產生。反之，移植含有生殖母細胞的組織，約在胚胎第12天到12.5天左右，則可觀察到畸胎瘤的產生。但是若生殖脊的時期超過胚胎第14天，則其中的原始生殖母細胞接近分化完全，移植後的小鼠便無畸胎瘤的產生。

為了追蹤更早期何種細胞可以形成畸胎瘤，胚胎學家利用移植後產生畸胎瘤的方式，從小鼠胚胎第11天起往前追溯，發現原始的生殖母細胞約在胚胎第6.5天到第7天時期就已經形成。另外還有在胚胎第3.5天時，囊胚期的內細胞團塊也可形成畸胎瘤。

由以上的敘述可知，具有形成個體能力的細胞有兩類，受精卵和分裂到8顆細胞時期的細胞與胚胎時期的生殖母細胞。也由於史帝文思的研究的啟發，後來的科學家建立了惡性胚胎細胞的培養方法，也證實了當把原始生殖母細胞打入桑椹期的胚中以後，出生小鼠的體細胞與生殖細胞有部分是移植的生殖母細胞的子代。因此，在胚胎發育的過程中，如果生殖母細胞的移行有誤，便可能不受到正常的調控，而隨機地分化為不同的細胞。

在正常體內，控制幹細胞複製與分化的微環境，可使幹細胞平常是處於休止狀態，當需要分化與因應生理或病理的需要時，才會開始活化，分化為不同的子代，這個特定的環境稱為利基環境。原始生殖母細胞就是因為離開了利基環境，所以才不受控制，而變成腫瘤細胞。

雖然單獨的內細胞團塊細胞與原始生殖母細胞植入子宮後，無法著床與發育成一個體，但若把這些細胞植入桑椹胚與囊胚，則可以完全融入新的胚胎，形成嵌合鼠。這種可以分化為所有胚胎細胞的能力，稱為「全功能性」。而在成體動物的體內，若可以分化為多種細胞，例如骨髓中的血液幹細胞可以分化為紅血球、血小板、淋巴球、顆粒球等，則稱為「多功能性」。對於幹細胞的定義只有兩個特性，自我複製和可以分化為多種不同的細胞。

目前幾乎所有動物的胚幹細胞，都是取自囊胚期的內細胞團塊在體外培養而成。對小鼠而言，培養胚幹細胞的條件與惡性胚胎瘤細胞的方法同出一轍，兩者都需要與小鼠的胚胎纖維母細胞共培養，與加入白血球抑制因子來防止胚幹細胞的分化。目前的技術可以不需要胚胎纖維母細胞與胎牛血清的培養，而可以利用一成分完全知悉的培養基來培養小鼠胚幹細胞。

不過在體外建立胚幹細胞的利基環境與維持幹細胞這種不分化的狀態，是非常特別而且不自然的，因為在胚胎正常發育的過程中，囊胚中約10顆細胞左右的內細胞團，可維持全功能性的分化能力並不到1周的時間。而我們卻可以藉著體外增殖的方法，讓這種細胞不斷地增殖與複製，生產出數以億計，且形態與功能完全相同的胚幹細胞。這些培養方法的建立，則完全根基於對惡性胚胎瘤細胞的研究與了解，才使我們能進一步了解胚幹細胞的特性。

雖然胚幹細胞與惡性胚胎瘤細胞在種入小鼠腹中後，都會產生畸胎瘤，但兩者有一基本的不同。那就是胚幹細胞本身並非腫瘤細胞，也就是說胚幹細胞的染色體完全正常，DNA上甲基化的程度也與囊胚中的內細胞團非常相似。當胚幹細胞植入桑椹胚後，也可受到正常發育的環境的影響而發育且分化成正常的子代細胞。惡性胚胎瘤細胞則不同，這種細胞的染色體常發生變異，植入桑椹胚後則完全不受控制，胚胎也無法形成正常的新生小鼠。

因此，只有胚幹細胞才有可能產生與本身細胞相同遺傳背景的小鼠，惡性畸胎瘤細胞則不會。也因為如此，我們可以操控胚幹細胞的基因，使想要研究的基因經由基因重組發生突變或喪失功能，而產生基因缺失的小鼠，進而研究某一特定基因在器官發育與生理上的功能，以及建立疾病的小鼠動物模式，提供藥物試驗的研究平臺。

雖然人類的畸胎瘤自1957年就有細胞株的建立，一直到1998年才由湯姆森（James Tomson）首次建立人類的胚幹細胞。同年吉哈特（John Gearhart）博士也成功地培養出人類的原始生殖母細胞，或稱為胚胎生殖細胞。在臺灣，第1個在國際期刊中發表的本土建立的人類胚幹細胞，是由高雄醫學院李水龍教授與韻生不孕症中心的劉永賢醫生所建立的。此外，工研院與臺中李茂盛婦產科及臺大婦產科陳信孚醫師，都成功建立臺灣自己的人類胚幹細胞株。

人類胚幹細胞的建立是科學上的一大進步，也使得許多人開始探索，使用胚幹細胞分化後的細胞來治療過去非常難治療的疾病的可能性。

例如帕金森氏症與糖尿病的病因，分別是因為在中腦的多巴胺神經細胞與胰臟中分泌胰島素的細胞受到破壞，而造成運動功能障礙與體內血糖過高。由於全球先進國家都已進入老年社會，整體人類的壽命延長，帕金森氏症與糖尿病病人所帶給整個社會的負擔也日益加重。目前仍無法在體外大量培養多巴胺神經細胞與分泌胰島素的細胞，如果可以利用胚幹細胞分化為這兩種細胞後，再移植回病人身上，不是非常美妙的一件事嗎？

為了達成這個目的及避免移植後的排斥問題，其中的一個辦法便是把在醫院捐出的受精卵的細胞核，換成病人本身的細胞核，也就是利用核轉殖技術建立本身的胚幹細胞。由於胚幹細胞的魔力太大，又牽涉到背後的龐大商機，使得韓國的黃禹錫博士也受不了魔鬼的誘惑，做出實驗造假的事情，宣稱已成功建立高效率的人類核轉殖技術及病人專屬的胚幹細胞。雖然一度為他博得民族英雄的稱號，但終究是騙局一場，最後還是被揭穿，黃博士也因此身敗名裂。

人類的全能細胞只存在於胚胎時期，但當成體的渦蟲被切割成1／279的碎片後，仍有能力可以重新長成一個個體。研究發現，渦蟲的體內存有全能性的幹細胞，稱為新母細胞，可以在受傷後重建身體的所有結構。而蠑螈與青蛙的眼睛與四肢的再生，可能是因為受傷部分的組織可以經由去分化作用變成局部的幹細胞，而回復身體受傷的組織。

但是為什麼哺乳類動物都缺乏這些神奇的幹細胞來修補身體的組織呢？其中一項重要的因素是，哺乳類動物的壽命較長，體內的幹細胞若控制不好，很容易變成可怕的腫瘤。最近的研究顯示，許多癌症的發生，部分是因一顆失控的幹細胞所造成的，例如乳癌、部分的腦癌和腸癌。就如畸胎瘤一般，當這些體內的幹細胞或利基環境受到干擾時，幹細胞就可能不受控制，而變成無法控制的腫瘤細胞。

在哺乳類動物的成體中，雖無全能性的幹細胞，但卻特化出，如骨髓幹細胞、表皮幹細胞、腸道幹細胞等成體幹細胞及其利基環境，分別存在於體內特定的組織中，而可應付生理與病理時的需要。

由於現今胚幹細胞的來源仍須取自受精卵分裂後的胚組織，也因此在法律與倫理上對胚組織是否是生命產生諸多爭議。目前美國的布希政府停止經費支援建立新的胚幹細胞，但去年的美國期中選舉，民主黨推出一支由罹患帕金森氏症的知名演員米高‧福克斯提倡支援胚幹細胞研究的廣告，也使得胚幹細胞的研究與美國是否應撤兵伊拉克的議題同樣受到人們的重視。生物研究的標的竟然可以成為政治議題，應該是史上的特例。這也許是因為隱藏在胚幹細胞中無法抵擋的神奇魔力吧！因此，封殺它，還是探索它，由您來決定吧。

資料來源

《科學發展》2007年6月，414期，6 ~ 11頁

科發月刊(5221)

神奇的幹細胞：胚幹細胞的建立

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