生物科技：生物醫學與實驗小鼠
93/09/07
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林偉杰｜
陽明大學生命科學系
蔡亭芬｜
陽明大學生命科學系及遺傳學研究所
近年來，隨著分子生物學研究的快速進展，對於生命現象，我們已能由以往的宏觀角度轉為微觀的分子層次，探討單一基因與其蛋白質產物在生物體內所扮演的角色。分子生物學與生命科學的結合應用，也成為醫學研究上的重要課題。
研究一個基因的功能，不但要了解它所產生的蛋白質特性，更重要的，是觀察它在生物個體內如何影響器官組織間的相互運作。不同的物種之間，雖然外形差異甚大，但維持生命運作的基本原理卻有其共通性。生物醫學研究希望達到的目的之一，就是藉著研究其他物種的生命現象與機制，找尋出可應用於醫學預防與治療的方法。與我們同為哺乳類的小鼠，由於具備了繁殖力強、生命世代短、個體小容易飼養與觀察等特性，所以成為動物生物科技與生物醫學的重要研究對象。
一九八○年第一隻基因轉殖鼠誕生之後，由於研究人員能夠把外來基因植入小鼠體內並且大量生產，藉以研究單一基因在生物體內所扮演的角色，因此確立了小鼠對於基因功能研究的重要性。一九八一年研究人員成功地分離培養小鼠胚胎幹細胞，開啟了人類應用及改造哺乳類胚胎幹細胞的首頁。一九八九年第一隻基因剔除鼠產生，揭示了人類已能操控並且移除位在哺乳動物細胞核內特定的基因片段，觀察其對生物體發育與生理所造成的影響。繼複製羊之後，一九九八年更首次發表複製小鼠成功的報導，對於複製技術可能產生的問題，將有機會在小鼠研究的領域內得到解答。
外來基因嵌入小鼠染色體
小鼠卵子的大小約是0.1毫米，直徑大約是青蛙卵的十五至二十分之一，鴿卵的二百至二百五十分之一。目前普遍用來進行基因轉殖的方法，稱為「胚原核顯微注射法」。由於小鼠的精子和卵子在結合後，精細胞核與卵細胞核並未融合，因此形狀較大的精細胞核可以很容易地以一細微吸量管刺入，並把去氧核醣核酸（DNA）送入核內，然後再把受精卵以管徑較粗的吸量管吹入代理孕母的輸卵管內，操作受精卵的過程主要在體外進行。
DNA會隨意嵌入小鼠的染色體上，並且隨著胚胎的發育而分布到全身各個細胞去表現。若生殖細胞也帶有這一段外來的DNA片段，小鼠交配產生的下一代，全身細胞就會帶有同樣的DNA片段了。
轉殖基因的製作
用來轉殖的基因可以來自小鼠本身，也可以來自人類或其他生物，端看研究人員的目的而定。除了基因之外，如何選擇一個能正確驅動基因表現的轉錄啟動子是轉殖基因的另一個課題。有些種類的啟動子能夠在全身各種細胞中表現轉殖基因，例如人類第二型核醣核酸聚合酶啟動子（RNA Pol II promoter）；相對之下，有些只能在特別的組織細胞中表現，如白蛋白啟動子就只在肝細胞中表現基因。
轉錄啟動子擁有的另一項特性，就是跨物種的保留性。舉例來說，把從雞的體細胞分離得到的乙型肌動蛋白啟動子放入小鼠以及人類的細胞中，仍然具有驅動基因表現的功能。又如在複製繁殖的過程中，病毒自身基因的啟動子，也能利用宿主細胞來表現病毒基因。這種存在於不同物種間的共通現象，代表著演化過程所遺留下來的證據，同時也成了科學家得以利用的研究工具。 基因轉殖鼠在醫學研究上正方興未艾，以下便是目前在臺灣所進行的一些研究成果。
基因轉殖鼠與生物醫學研究
在臺灣的成人族群中，每五人就有一人是Ｂ型肝炎帶原者，在帶原者的血液中能夠偵測到Ｂ型肝炎病毒表面抗原。自民國七十五年以來，臺灣男性的肝癌死亡率已連續18年高居癌症死因之首，其中更有高達70～90％的肝癌病患曾經感染過Ｂ型肝炎。所以Ｂ型肝炎普遍被認為與肝癌的發生有直接的相關性。
我們將Ｂ型肝炎病毒基因轉殖入小鼠的肝臟，利用長期而穩定地在肝組織中表現病毒蛋白來模擬發生在人體中的慢性肝炎現象。在小鼠成長的過程當中，我們發現肝臟的確產生類似人體感染病毒後的發炎反應。等到小鼠年紀約十六個月大時，可以在肝臟中觀察到多處肝腫瘤產生。除了證實病毒的確會造成肝臟病變並導致肝癌外，基因轉殖小鼠也提供我們一個直接的機會來研究病毒如何引發肝臟病變的機制，未來更可以幫助我們進一步找出肝癌可能的治療與預防之法。
小鼠基因操作的技術與應用
過去科學家利用自然配種方法篩選產生具有特定性狀的純品系小鼠，並且發現部分基因的突變與缺失對生物體會產生顯而易見的影響。例如白子小鼠是由於體內酪胺酸酵素發生突變，無法製造出黑色素，小鼠因而呈現純白的毛色以及鮮紅的眼睛。然而，能夠藉由外表型態變化所找出來的功能基因畢竟有限，因此，成功地應用於小鼠的基因剔除技術便成為科學家研究基因功能的有利工具。
基因剔除技術的目的，在於針對單一基因進行破壞，使失去基因的生物體無法產生該基因的蛋白質，藉由實驗與觀察來預測基因可能具備的功能。剔除基因的實驗原理，是把製作好的基因剔除載體以電破法方式，利用電流造成細胞膜通透性增加，使載體進入胚胎幹細胞內，然後藉由DNA同源重組機制破壞染色體上正常的基因結構，而這些胚胎幹細胞要如何長成一隻獨立小鼠呢？方法就在於將胚胎幹細胞送回正常囊胚期胚胎，並且移入代理孕母的子宮內發育成長。
小鼠胚胎幹細胞乃是從受精後第3.5天的囊胚取得。胚胎幹細胞的特色，在於具有分化成為小鼠各種器官組織的潛力，卻不能分化產生胎盤等胚胎外組織，因此無法像受精卵般在子宮內單獨發育成小鼠。因此，要讓體外培養的幹細胞長成小鼠，必須把幹細胞再一次送入囊胚之中，和寄主囊胚中的胚胎細胞混合，共同在代孕母鼠子宮內發育生長。小鼠出生後全身上下的各種組織就會由兩種胚胎細胞共同混合組成，就像馬賽克拼圖一般，我們通稱為嵌合鼠。
嵌合鼠配種後的第一代可以經由DNA檢驗以確認染色體對偶基因之一是否帶有突變的基因，稱為異型合子。再將兩隻同為異型合子的公母鼠互相配種，第二代有四分之一的機率能夠產生同型合子的小鼠，這時小鼠體內所有細胞的對偶基因都帶有突變，無法表現蛋白質。研究人員便能夠觀察小鼠在生長、發育、以及行為表現上所產生的異常，找出可能的原因機制。許多人類先天性的遺傳疾病，與後天發展的疾病諸如：癌症、神經退化、老化等問題，科學家藉由改變小鼠遺傳基因的實驗也已經成功地產生同樣的病徵。這些研究不僅證實了疾病與基因的關聯性，對於尋找有效的治療方法也同樣帶來了許多貢獻。
複製技術、幹細胞研究與醫學應用
繼一九九七年桃莉羊複製成功的消息發表於《自然》期刊後，隔年又報導了複製小鼠成功的消息。研究人員甚至從複製鼠的體細胞中再次取出細胞核並且再複製出下一代。該複製小鼠到目前為止，無論在生理、壽命、生育能力上大致與正常小鼠無異，似乎顯示複製技術能夠用以製作出健康的動物個體。由於取材的細胞來自雌鼠的卵丘細胞，所以初期複製的小鼠青一色都是雌鼠。同組研究人員於一九九九年再度成功自成年雄鼠尾巴採取了纖維母細胞來進行複製實驗，目標之一便是希望結合複製與基因改造技術，測試基因治療使用於小鼠的可能性。
複製鼠的實驗設計方式有異於複製羊，其差異在於複製桃莉羊的研究人員是把去核的成熟卵細胞與乳腺細胞直接融合之後，得到複製胚胎。而複製小鼠所用的方法，則是把卵丘細胞的核抽出之後再注入去核的成熟卵細胞中，此方法成功率約為百分之二，相當於每一百顆複製胚胎就能有兩顆胚胎存活並長大成鼠，比起複製羊的成功率要高出許多。
自桃莉以後，複製技術受到的高度矚目，除了道德爭議外，也來自於其蘊藏的無限潛能。以人體為例，全身細胞隨著年齡的增長、新陳代謝的退化、複製活力的喪失，逐漸產生組織的老化現象，例如神經細胞退化死亡，便可能造成記憶力減退或是巴金森氏症；身體關節組織老化，會引起退化性關節炎而不良於行。此外，疾病也常常造成身體器官組織的損傷或功能喪失，例如心臟病所造成的心肌受損、凝血因子缺乏所產生的血友病、鐮形紅血球所造成的貧血問題。
上述的問題，在人類醫學或是其他哺乳動物的研究上，都顯示使用幹細胞能夠產生有限度的組織修補效果，進而減輕並改善症狀。然而考量到自體來源的幹細胞數量有限，若改以異體移植它種生物或是他人的幹細胞，卻容易因為身體自有的免疫辨識反應，而破壞移植幹細胞的效果。因此，能夠利用自體細胞與複製技術產生胚胎幹細胞的構想，自然為未來幹細胞醫學帶來一線曙光。
不過，針對人類所進行的複製技術與胚胎幹細胞操作，現今仍有許多道德上的爭議，世界各國的法律規範也不盡相同，在諸多條件尚未成熟的狀態下，動物模式的研究，例如小鼠，自然有其重要性及價值。先前的研究結果已證實小鼠的胚胎幹細胞，能夠在送入成鼠體內後散布到各個器官，並且分化發育為不同的組織形態。這樣的結果支持：利用胚胎幹細胞治療及修補人類身體各種組織缺損的可行性。
在基因治療的研究上，早先發展的技術主要是利用特定種類的反轉錄病毒可以感染人體細胞的特性，把治療用的基因植入不具複製能力的病毒顆粒內，再使病毒感染人體以達到治療的目的。這樣的方法雖然在動物以及人體的初步試驗中被證明可能是可行的，然而也潛藏著嚴重的風險。進入人體的病毒很可能因為含有野生型病毒污染或是病毒突變而產生複製能力，大量複製與持續的感染便會引發人體嚴重的免疫反應與致癌的可能性。因此，科學界對於以病毒作為基因治療的工具一直抱持審慎保留的態度。
胚胎幹細胞研究與複製技術的結合，似乎為未來基因治療的可行性開啟了新的一頁。複製技術使我們得以生產與自體細胞核內的遺傳物質完全相同的胚胎幹細胞，而胚胎幹細胞可以在體外培養的優點，有利於基因治療的操作。經處理後的胚胎幹細胞，可以利用特定的物質進行誘導，以得到我們需要的各種組織細胞，再送回人體便能夠修補和更新那些因疾病或老化而受損的器官組織。這樣的構想，已經初步在小鼠以及大型哺乳類上試驗成功了。未來，複製胚胎的道德問題若能夠得到解決，以複製技術產生的胚胎幹細胞，將會改變未來的醫療方式，並且造福更多有需要的人。
