生物科技的應用：能幹的幹細胞|最新文章

facebook twitter plurk line 中列印書籤

生物科技的應用：能幹的幹細胞

93/01/13 9332

楊俊佑｜成功大學醫學院骨科

「到底是先有雞，還是先有蛋？」這個問題的答案是公說公有理，婆說婆有理，但若從生命的發育來解釋，那就是先有蛋才有雞，畢竟在地球上是先有單細胞生物，然後再慢慢發展出多細胞生物的，蛋是單細胞，而雞是多細胞生物，所以先有蛋，然後蛋再變成雞。

然而，單細胞如何變成多細胞，蛋如何變成雞，這裡面牽涉了許多生命的奧祕。一顆受精蛋是一個單細胞，也就是幹細胞，其內部構築了物種的基因藍圖，透過細胞增生，一個變兩個，兩個變四個，四個變八個，經由細胞分化在該形成骨頭的地方變成骨頭組織，該變成皮膚的地方變成皮膚組織，而這過程就是細胞分化，繼而形成器官、系統，然後成為個體。本文就是要向各位介紹這些能「幹」的「細胞」到底幹了啥事？

何謂幹細胞

一般而言，有能力變成其他種類的細胞，並能自我更新的就是幹細胞。譬如蛋變成雞的過程，便是幹細胞進行各種增生分化的程序，此外當組織受傷後，進行修復作用時，也有幹細胞的參與。目前，科學家發現亦可以從成體獲得幹細胞，所以依照其來源不同可分為胚胎幹細胞和成體幹細胞。

若依照幹細胞轉變成其他細胞的能力大小來分，又可分為全能性幹細胞，泛指有能力成為一個完整個體的細胞，可分化的路徑多達兩百多種，如受精卵；多能性幹細胞，指的是從胚胎內部所取得的內細胞群，具有分化成三種胚層能力的細胞；專能性幹細胞，存在於成體的各部位組織，專能分化成某一類型的細胞，譬如血球幹細胞能分化成紅血球、白血球等血球細胞，以進行組織修復及更新。

由於幹細胞的能力有強弱之分，以應用性來講，全能性及多能性幹細胞能力最強，科學家操控其分化效果也最佳，應用前景也最被看好。這些細胞可從胚胎發育過程中取得，一九九八年，美國科學家詹姆士．湯姆生（James Thomson）從人類進行人工受精過程中多餘的受精卵取得胚胎幹細胞。

當受精卵形成囊胚（約5～7天）時，囊胚含有約140個未分化的細胞，它的外表是一層扁平細胞，稱為滋養層，可發育成胚胎的支援組織如胎盤等。中心的腔稱囊胚腔，腔內一側的細胞群，稱內細胞群，也就是我們所謂的胚胎幹細胞，這些細胞在體外環境下培養時，若加入白血球抑制因子，能讓細胞保持在未分化的階段，一旦去除掉白血球抑制因子，它們可進一步分裂、分化形成內、中、外三個胚層，每個胚層再分別分化，最後形成人體的各種組織和器官。

不過，這類的實驗牽涉到倫理和宗教問題，因此，美國布希總統決定有限度地開放胚胎幹細胞研究，聯邦經費只能補助利用現有的64株人類胚胎幹細胞株進行的研究。這也使得科學家開始尋找另一種幹細胞的來源，便是成體幹細胞。

成體幹細胞是存留在成人器官中，但仍保有生長並分化成其他種細胞能力的細胞，由於成體幹細胞並沒有涉及倫理和宗教上的問題，以及未來用在自體身上也不會引發免疫排斥的困擾，因此已漸漸成為幹細胞研究發展的主流。目前，成體幹細胞研究最為廣泛的就是骨髓幹細胞和臍帶血幹細胞。不過，成體幹細胞的可塑性較胚胎幹細胞低，這對於成體幹細胞未來是否可治療任何疑難雜症，投下了未知的變數。

幹細胞有多能幹

人類對抗疾病已有上千年的歷史，除了應付外來的敵人外，仍有許多所謂的遺傳性疾病，世世代代折磨著某些族群。近年來由於生物科技的進展，對於這些致病的基因已有相當的研究，並發展出許多新的方法來檢驗或對付這些難纏的病症。

從藥物的有效性、特異性，乃至於藥物的持久性與穩定性，科學家們處心積慮想要得到一種實際可行、絕對有效，但又不會傷害其他正常細胞功能的完美治療方式。他們從各個方面著手進行，諸如藥物的研發、藥物傳送方式（載具）的設計等，但截至目前為止，基因治療的人體試驗，在國外先後傳出病人死亡或傷病的報告，至於臺灣則僅完成第一階段的人體試驗。

基因治療至今仍未能有所突破的原因，在於不易將治療的基因正確地送抵目標組織，而且能夠長時間留在病人體內，也就是載具無法達到長久的療效以對付一個持續發作的不正常組織，甚至這些載具還會對身體造成某種程度的傷害，這些都是始料未及的。不過，基因療法仍是當前解決不治之症的首要發展目標，希望能開發出新的基因轉殖技術及載具，以提高此療法的成功率。

有鑑於此，幹細胞有希望成為另一個新的載具，因為幹細胞可以從自身取得，對於病患本身是無害的，而且具有生長快速、分化成其他正常組織器官的能力。將所設計的基因表現於這些幹細胞中，再把這些具有療效的幹細胞放置到病患體內時，它們便能夠與身體共存，並長時間有效地治療病患，逐漸形成正常的身體組織，以替代已受損的部位。

在疾病診斷或藥物篩檢方面，幹細胞也有用武之地。目前對於疾病的治療，仍是以化學藥物為主。然而，身體像是一個精密的機器，牽一髮足以動全身，雖然這些化學藥物多半能夠有效治療相當多的疾病，但是多數化學藥物只能治標且具副作用，其副作用一直是大家所擔心的潛在殺手。這是因為化學物除了有抑制病灶的作用外，也會對身體內的其他功能有所影響，這些影響有可能在短時間內便會出現，或是在經長時間之後，它的影響才會明顯地表現出來。

幹細胞是身體各組織的原始細胞，從觀察幹細胞分化成為體細胞的過程中，科學家可以了解更多身體的奧祕，設計出更有專一性的藥物，或在體外給予特殊的培養環境，便可輕易獲得更多不同的細胞組織，用以同時進行藥物效果的測試，篩檢出較理想的藥物。

幹細胞在組織工程中的應用

幹細胞除了可以對抗許多疾病外，還有另一個讓科學家覺得相當有希望的用途──組織工程，意即在適當的體外條件下，重新創造出一個新的組織或器官，得以隨時更換體內壞損的部分，就好像機器的零件一般，隨時更換老舊的零件，以維持機器的正常運轉。這是一種生生不息的觀念，因此，也可以稱之為細胞治療或再生醫學。

組織工程大致包含三個部分：細胞、支持物、生長因子。要在體外塑造一個組織替代物，這三部分環環相扣缺一不可，從支持物的選擇、表面的修飾、生長因子的加入，以及細胞與其生長條件的設定等，一再地考驗當今的科學家如何把這些因素完美地配合，以得到理想的組織替代物。

在支持物與生長因子這兩方面，是可以經由不斷嘗試與經驗的累積，得到一個針對某種特定組織而設計的培養環境與條件，至於細胞這部分，可以選擇的有一般的體細胞、前驅細胞，甚至是幹細胞。當然，父母所賦予的身體是最完美的設計與來源，如果能從自己身體取得所需要的細胞，是最理想的方式，因為這樣可以避免組織排斥等問題，但是因為有些體細胞的來源取得困難，無法達到即時移植的目的，所以幹細胞或前驅細胞便成了另一個可行的來源。

將這些少量的幹細胞取出後，經過大量培養與誘導成所需的細胞，有可能更有效地替代受損部位，這也是幹細胞為何受到科學家格外青睞的原因之一。在將幹細胞應用到組織工程這方面，目前已有相當的研究成果，已開發出硬骨、軟骨、神經、胰島等身體各部位的組織替代物，雖然到目前為止，還沒有產品實際應用到臨床上，但幹細胞的應用潛力由此可見一斑。

國內的幹細胞組織工程研究

在臺灣有些研究單位，已投注了相當的心力在幹細胞組織工程的研究上。為了將來實際應用於人體醫療，成功大學附設醫院骨科研究室以硬骨與軟骨的組織工程為目標，選擇骨髓幹細胞、脂肪幹細胞這兩種具高分化能力且來源充裕的幹細胞，以及具有骨分化能力的骨母細胞為細胞的來源，並嘗試在體外找出最適合的生長、分化條件與培養方式，得到具有骨生理特性的細胞。

除此之外，並配合高度組織相容性的細胞支架設計，以提供適當的機械強度及暫時性的空間填補。目前在硬骨組織工程中得到相當的研究成果，並已進入動物測試階段。在軟骨組織工程方面，則仍在尋找最理想的調控生長與分化條件，期望未來也能夠有修補軟骨組織缺損的效果。

在臍帶血方面，已有相當多的生技公司建立所謂的臍帶血銀行，骨髓幹細胞也已運用到骨髓移植等細胞療法上，在美國也有新開設的公司專門替人儲存脂肪幹細胞，諸此種種都證明了這些幹細胞除可進行科學研究外，還帶來無限的商機與醫療的新進展。此外，研究人員也在相當多不同的組織中取得某些特定的幹細胞，這些幹細胞多半被認為具有特定細胞的分化方向，可直接提供作為某些特定細胞組織的修補之用。

國內外相關產業現況

由於生技風潮席捲全球，許多傳統產業為了永續經營的目標，亦開始投資被譽為二十一世紀明星產業的生技公司，使得幹細胞公司得以萌芽發展。目前，國內的幹細胞公司大都是以幹細胞保存的上游產業為主，例如訊聯、再生緣、生寶、永生等臍帶血銀行。

永生成立於二○○一年，已有超過三萬袋的存戶，是這些臍帶血銀行中保存量最多的，資本有二千三百萬美金；迅聯在一九九九年成立，由錸德、英業達、網益集團、日薪集團等投資，二○○二年八月突破四千袋的臍帶血客戶，並和工研院、臺大、三軍總醫院合作發展臍帶血幹細胞的應用；生寶和訊聯都是在一九九九年成立，資金的贊助者是瑞安大藥廠，初期資本一億二千萬臺幣；再生緣在二○○一年成立，在國內的臍帶血銀行中算是新興的公司，由食品工業研究所、永豐餘等公司共同籌措資金，初期資本額一億臺幣。此外尚有一些成人幹細胞中心亦在籌劃中，如慈濟亦有成立幹細胞研究中心的規劃。

國外的幹細胞公司發展的時間比國內早，除了臍帶血銀行外，已有胚胎幹細胞公司成立，像捷容（Geron）、先進細胞科技公司（Advanced Cell Technology）、加州幹細胞公司（Stem Cells California，Inc.）等。這些幹細胞公司的發展方向以細胞或基因療法為主，致力於目前醫療上棘手的疾病，像阿茲海默氏症、帕金森氏症、遺傳性疾病、老化等方面的研究。

捷容在一九九三年成立，擁有70項以上的專利，主要的技術平臺有端粒酉每、胚胎幹細胞及核轉殖，利用目前的技術平臺，往疫苗新藥、診斷工具、細胞再生技術及核轉殖或基因轉殖四個方向發展。雖然目前尚無產品在市場上行銷，但由於和眾多公司如羅氏醫學儀器股份有限公司（Roche Diagnostics）、賽雷拉基因公司（Celera Genomics）、羅斯林研究所（The Roslin Institute）等，以及學術機構有合作關係，使其研究成果受到重視，目前營收主要來源是相關技術的授權費和端粒酉每檢測工具的權利金。由於一九九七年向羅斯林研究所以四千五百萬美金買下複製桃麗羊的技術專利，再加上和約翰霍普金斯大學合作發展的幹細胞技術，使得其發展備受矚目，是目前幹細胞公司中技術平臺最多，資金也最龐大的一個。

先進細胞科技公司的技術核心，是運用細胞核轉殖技術，將病人的細胞核轉殖到受精卵細胞中得到胚胎幹細胞後，再使其分化為所需的組織特異性細胞，以得到完好的分化細胞。目前在動物模式的實驗上，利用細胞核轉殖技術，已成功地複製出腎細胞、心肌和肌肉等已分化的細胞。

模式藍圖是將一隻牛的纖維母細胞的細胞核，替換到牛的受精卵中，並將替換細胞核的受精卵著床到母牛子宮中。待胚胎發育到約八周時，取出胚胎並將其中的肌肉細胞（心肌與骨骼肌）及腎細胞，經過培養增加數目後，回注到原本的核捐贈者中，並且觀察這些細胞的發展情形，發現這些細胞會分化，且具有應有的形態，並表現出應有的蛋白質。特別是腎細胞，不但分化出腎小球、腎小管等構造，在小心取出轉殖細胞進行體外實驗，也證明具有透析尿素、形成尿液的能力。

加州幹細胞公司則避開胚胎幹細胞道德與法規的問題，選擇爭議性較小的成體幹細胞發展，運用組織衍生的幹細胞或前驅細胞作為研究工具，誘導分化為所需的成熟細胞為其主要技術，目前將主要的方向放在神經、肝臟及胰臟上，期望以細胞療法解決神經退化、阿茲海默氏症、肝癌、糖尿病等的器官缺失性疾病。在未來應用的策略上，該公司致力於運用幹細胞進行組織修復與置換、藥物的篩選試驗、遺傳性疾病、基因質體學的研究，目前在技術上已經擁有將老鼠造血幹細胞分化為肝細胞的基礎。

幹細胞產業的未來發展

目前的生技公司普遍利用幹細胞「自行再生」的能力及「分化成各種細胞」的潛力發展，進行再生醫療的研究、藥物的篩選、基因質體學的研究。完整的幹細胞產業應該包含細胞的收集、純化、保存、應用，並以臨床醫療為目標。由於受限於許多道德爭議、各國法規的規範及技術層面仍未臻成熟，因此相較於其他的生技產業，幹細胞公司的發展較為困難。不過，近年來話題不斷的複製技術，引發了人類對於未來器官量販的夢想，這些幹細胞公司的發展也備受矚目。

由於這些幹細胞公司在研究的領域上成果顯著，不斷地有驚人的研究成果發表，隨著生物資訊的發展，有利於科學家對幹細胞分化的預測及了解，但在產品化的過程中，不論是道德爭議的問題，或是各國法規規定的限制，仍面臨著重重的考驗。幹細胞的研究一直受到宗教團體和人權團體的質疑與抗議，特別是胚胎幹細胞的取得與複製，這使得成體幹細胞的發展較為容易，而且沒有道德爭議及免疫排斥問題，這將是未來發展的方向。

不過，值得注意的是，這些研究幹細胞的公司大多還未開始進行臨床實驗，離臨床醫療仍有好長的一段路。另一個影響這些幹細胞公司成敗的隱憂是研究經費龐大，資金的運用有限，能否實現未來的夢想，仍有待期盼。不過這些新興的行業，的確開啟了醫療上另一頁的全新治療途徑。

幹細胞的發展史

1878：出現第一篇哺乳類的體外受精卵報導。
1959：完成第一例兔子的體外受精卵。
1960：展開畸胚瘤的研究。
1968：愛得華（R.G. Edwards）和貝敏思特（B.D. Bavister）進行人類的體外受精研究。
1970：利用畸胚瘤細胞注入老鼠胚胎，製造鑲嵌鼠以進行胚胎發育的研究。
1978：世界第一個試管寶寶路易絲．布朗（Louise Brown）在英國誕生。
1980：肯蒂絲．瑞得（Candace Reed）成為澳洲的第一個試管寶寶。
1981：艾凡斯等（M.J. Evans, et al.）體外培養老鼠的胚胎幹細胞；伊莉莎白．卡爾（Elizabeth Carr）成為美國的第一個試管寶寶。
1984～1988：安德魯等（P.W. Andrews, et al.）在體外培養人類畸胚瘤細胞。
1989：佩拉等（M.F. Pera, et al.）製造人類畸胚瘤細胞株。
1994：首次使用人類人工受精的囊胚進行幹細胞的研究。
1995～1996：從恆河猴取得胚胎幹細胞，並在體外培養分化成三種胚層。
1998：詹姆士．湯姆生（James Thomson）從人類體外受精卵取得胚胎幹細胞，並能穩定地在體外培養；吉爾哈特（J. Gearhart）從妊娠中止的胎兒內取出其卵巢或睪丸組織，得到一種具有幹細胞特性的原始生殖細胞，稱為人類生殖幹細胞。
1999：《科學》（Science）雜誌公布幹細胞為世界十大科技進展榜首。從小鼠肌肉組織取得的成體幹細胞可以「橫向分化為血液細胞」。此後，科學家相繼證實成體幹細胞具有可塑性。
2000：美國61名諾貝爾獎得主及其他科學家聯名要求美國政府對幹細胞研究給予全面支持，同年美國總統柯林頓宣布美國政府准許用政府經費進行人體胚胎幹細胞研究。
2001：胚胎幹細胞株可以培養出神經、胰島等更多種類的細胞。美國總統布希宣布聯邦政府將有限資助胚胎幹細胞研究。
2002：《自然》（Nature）雜誌評選「幹細胞的爭議」為二○○二年科學界年度重大新聞。

資料來源

《科學發展》2004年1月，373期，14 ~ 21頁

科發月刊(5210)

生物科技的應用：能幹的幹細胞

推薦文章