神奇寶貝–幹細胞
92/01/17
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李文婷｜
財團法人工業技術研究院細胞組織工程技術部
細胞中的美猴王–幹細胞
您知道《西遊記》的靈魂人物是誰嗎？是手持金箍棒，搖身七十二變的孫悟空。話說孫悟空原是花果山上的一塊仙石，因為吸收了日月精華而化做一隻石猴，自封為美猴王。美猴王在山中跟著須菩提祖師學會七十二般變化，須菩提祖師把美猴王改名為孫悟空，孫悟空所學的七十二變可以讓它在遇到各種災難時，拔根身上的毫毛就可以變成它的分身或幻化成各種玩意兒，以拯救唐僧化險為夷，最後終於達到取經的目的。
人類的身體就像在《西遊記》中所述的一樣，隨時會受到內在因素及外在環境的影響，因此需要美猴王來斬妖除怪，抵禦外侮。
人體是由各種細胞所組成，而幹細胞（stem cell）就像細胞中的孫悟空，它可以不斷地更新複製成許多分身，也可以分化成具有各種不同功能的細胞。當身體在發育成長時、受傷時、或受到外來的細菌或病毒攻擊時，幹細胞可以複製分裂成許多細胞，並進一步分化成特定的細胞，以補充身體所需要的細胞，達到修補受傷的組織或取代死亡細胞的目的。
幹細胞是最近才發現的嗎？
雖然幹細胞的研究一直到西元一九九八年才有重大的突破，但事實上，幹細胞的研究已經有五十幾年的歷史了。遠在一九四五年，科學家們觀察第二次世界大戰期間受到高劑量輻射線照射的病人，發現他們特別容易罹患白血病等癌症。於是，科學家們便利用高劑量的放射線照射老鼠，再將正常老鼠的骨髓移植到經過放射線照射過的老鼠身上，他們發現骨髓移植可以使這些老鼠恢復健康。
在一九六○年代，科學家詹姆士．堤爾（James E. Till）和恩尼斯特．莫科洛克（Ernest A. McCulloch）分析老鼠骨髓中的成分，發現其中有一種細胞可以不斷地增生，並且可以分化成血球細胞，他們把這種細胞稱做「造血幹細胞」。隨後，生物學家們開始研究哺乳類如老鼠或兔子的受精卵或胚胎，希望能找到比造血幹細胞更原始的幹細胞。
在一九九○年代早期，生物學家們成功地由靈長類如黑猩猩或猴子的胚胎分離並培養出非常原始的幹細胞。到了一九九八年，美國威斯康辛大學的動物學家詹姆士‧湯普森（James Thompson）博士獲得捐贈者的書面同意，取得治療不孕症後剩下的人工受精胚胎，這些胚胎是受精卵經過四到五天的培育所形成的，形狀像一個袋子內裝著許多細胞，又稱為「囊胚」。湯普森博士由囊胚中取出內部的細胞團，成功地培養出可以不斷繁衍且具有多種分化能力的幹細胞株。在同一年，美國約翰霍普金斯大學的約翰‧吉爾哈特（John Gearhart）博士則在經過流產手術者的書面同意後，取得流產的胚胎（約八到十週大），把即將發育成卵巢或睪丸的組織取出，也成功地分離並培養出具有多種分化能力的幹細胞。
儘管湯普森博士和吉爾哈特博士所使用的幹細胞來源不同，但所培育出的幹細胞特性卻非常相似，由於這些幹細胞是來自胚胎，因此又稱為「胚胎幹細胞」。
胚胎幹細胞具有可以分化為任何一種組織或細胞的能力，因此它具有極大的醫療潛力，自從科學家們可以成功地在體外培育胚胎幹細胞後，隨即引發科學界對於幹細胞研究的淘金熱。因為胚胎幹細胞是由受精卵胚胎或墮胎胎兒組織取得，牽涉到宗教信仰、社會道德及法律規範等問題，以前美國聯邦政府的研究經費是不能用來研究胚胎幹細胞的。
有鑑於幹細胞研究所蘊含的醫療價值及巨大商機，美國科學界的 68 位科學家，包括諾貝爾獎得主在內，連署要求美國國會同意以聯邦政府經費支持幹細胞的研究。在經過美國科學界、宗教界及社會人士的激烈辯論後，布希總統於二○○一年八月九日發表演說，同意美國聯邦政府的研究經費可以資助胚胎幹細胞的研究；但是為了避免科學界的濫用，政府的經費僅限於資助 64 個已經培養的胚胎幹細胞株的研究，其中包括了湯普森博士所培養出來的人類胚胎幹細胞株。
在哪裡可以找到幹細胞？
人的生成開始於卵子受精，形成有潛力發展成一整個個體的單細胞。在受精後的第一個小時，這個細胞分裂成兩個完全相同的細胞，這些細胞又稱為「全能細胞」，因為每一個全能細胞可以各自發育成一個完整的個體，同卵雙胞胎或多胞胎就是這樣子來的。在經過大約四天後，細胞分裂許多次，這些全能細胞排列成特殊的囊胚結構。
囊胚的外層為一層細胞，內部空心並含有一團內部細胞團。外層細胞會在母體的子宮內繼續形成胎盤及其他供應胚胎生長發育所需的組織，內部細胞團則會發育成人體的各個組織。沒有了胎盤及其他供應胚胎生長發育所需的組織，內部細胞團則無法發育為一個完整的個體。內部細胞團的細胞為多能性的，也就是它們可以分化產生各種不同形態的細胞，但是因為沒有胎盤，所以它們無法各自形成一個完整的個體。
除了胚胎中的胚胎幹細胞外，在成人的器官或組織中，也可以發現幹細胞的蹤跡，這些細胞統稱為「成體幹細胞」。目前發現到成體幹細胞的組織，包括骨髓、周邊血液、大腦、脊椎、牙髓腔、血管、骨骼肌、皮膚上皮、消化器官的表皮、眼角膜、視網膜、肝臟、脾臟及大腿骨等，成體幹細胞被歸類為多向性幹細胞，其所能分化的細胞及組織種類較胚胎幹細胞少。在各個不同組織中所發現的幹細胞，通常根據其特性而給予不同的命名，例如在大腦中所發現到的幹細胞為神經幹細胞，在肝臟中所發現到的幹細胞為肝幹細胞。
成體幹細胞的主要功能為維持一特定細胞族群在人體內的平衡狀態，以便補充受傷或死亡的細胞。不同組織所分離出來的成體幹細胞表現的行為也不同，且沒有人知道任何一個成熟組織成體幹細胞的真正起源，有些理論認為成體幹細胞是在胚胎發育時，一部分的細胞分化被抑制所形成，因而保留其多向性的特性。
幹細胞可以再造血液
目前研究中的成體幹細胞種類主要為造血幹細胞，造血幹細胞可以分化成紅血球、血小板及白血球。紅血球負責氧氣的運輸，血小板具有使血液凝結的功能，而白血球則負責捍衛人體的工作，在遭受外來的病原菌攻擊時，可以產生抗體，或利用吞噬的方式消滅這些細菌。
造血幹細胞是所有幹細胞種類中研究歷史最久的，因此科學家們對這種幹細胞的了解最清楚，也是目前臨床治療上應用最多的。造血幹細胞可用來治療白血病、淋巴瘤、地中海型貧血、黏多醣症、血液再生不良、先天免疫不全及自體免疫疾病等，也可用在癌症化學治療或放射線治療後，幫助病人造血系統的再生。
造血幹細胞最早是在骨髓中發現的，在身體的周邊血液中也可以找到。慈濟基金會在一九九三年成立骨髓捐贈資料中心；一九九四年，在臺灣三軍總醫院完成國內第一例非親屬間骨髓移植。目前，臺灣慈濟骨髓捐贈中心為東南亞最大，也是世界第三大的骨髓資料庫。也因為如此，臺灣如今成為世界志願捐髓比例最高、拒絕率最低的國家。
在一九八○年代末期及一九九○年代早期，醫生們開始了解到新生嬰兒的臍帶及胎盤血液中含有大量的造血幹細胞。臍帶血是胎兒血液循環中的一部分，與母親的血液循環互不相通。在懷孕期間，胎兒透過胎盤與母親進行氧氣及養分的交換，使胎兒長大至足月生產離開母體為止。在過去，臍帶血被當做醫療廢棄物，隨著胎盤丟棄；現在，臍帶血則被視為黃金般的珍貴。在一九九九年，臺灣血液基金會成立臍帶血庫，同年和信醫院孫逸仙癌症治療中心成立另一個臍帶血庫，慈濟醫學院和臺大醫院隨後也成立臍帶血庫，其他私人公司也紛紛成立臍帶血銀行。在臺灣，首例臍帶血移植發生在一九九五年，一名罹患白血病的十一歲男童在臺大醫院接受妹妹的臍帶血移植。
幹細胞可以使組織再生
前面提到人體的許多組織都含有幹細胞，而骨髓除了含有造血幹細胞外，還含有「間質幹細胞」，這些細胞在骨髓中所扮演的主要角色是和造血細胞產生交互作用，提供造血細胞生長所需的基質及生長因子。間質幹細胞具有分化成脂肪細胞、軟骨細胞、硬骨細胞、肌腱細胞、造血細胞支持基質、骨骼肌細胞、平滑肌細胞、心肌細胞、星形細胞、神經膠質細胞及神經細胞等不同細胞的能力，間質幹細胞也可以在新生兒的臍帶血或脂肪組織中找到。
最近，科學家們發現了另一個可無限量供應幹細胞的來源，那就是長年累積在人體中的脂肪。油滋滋的脂肪是許多愛美人士欲除之而後快的累贅，美國每年有23萬人次的胖哥胖妹求助於抽脂手術以雕塑身材。這些抽取自大腿、臀部和腹部的脂肪，下場都是當做廢物丟棄，不過現在美國研究人員卻發現了一個廢物利用的機會。研究人員將這些細胞放置在促進骨骼發展的生長因子中培養，結果真的產生出骨骼細胞，若放到促進軟骨生成的培養基中培養，也可以分化成軟骨細胞，這些細胞具有分化成硬骨細胞、軟骨細胞、脂肪細胞、平滑肌細胞及骨骼肌細胞的能力。
一般認為由特定胚層所分離出來的成體幹細胞，只能分化成那個胚層所能衍生的組織。二○○○年之後，科學家們根據動物實驗的成果推論成體幹細胞可能具有「橫向分化」的能力，也就是說由內胚層組織所分離出來的成體幹細胞，可能可以分化成外胚層組織的細胞，例如來自內胚層的造血幹細胞，可以分化為外胚層的神經細胞。這樣的特性就像塑膠可以隨著鑄模的不同而塑造成不同的形狀，因此科學家們把這種特性稱為成體幹細胞的「可塑性」。成體幹細胞可塑性的發現具有革命性的意義，它打破了只有胚胎幹細胞才能衍生出內中外三胚層細胞的迷思，為幹細胞疾病治療提供新的資源，更擴展成體幹細胞的應用價值。目前有許多公司正將幹細胞和生物可分解性材料結合，應用於軟硬骨的修復、心肌或肌腱的再生或骨髓基質細胞的再生。甚至也有公司專門出售幹細胞，提供給學術機構研究使用。
幹細胞＝嫦娥的仙丹？
幹細胞的研究，無論在我國或其他國家均處在研發的階段，我國還有許多研究發展的空間。幹細胞可以被分離純化，科學家們可以利用幹細胞從事基礎研究，探討胚胎發育、器官發生的奧秘，幹細胞的遺傳特質可以利用基因工程的方式進行改變，用於基因治療以修正遺傳性的疾病基因。也可以將幹細胞擴大增生，應用在細胞治療或組織修復上。更可以將幹細胞誘導分化成特定細胞或組織，用在藥品或毒物的篩檢或測試上。
然而要將幹細胞應用在臨床治療上，還需要進一步的深入研究。要先了解每一種幹細胞表面的標靶，結合細胞學、胚胎發生學的知識，找出幹細胞在體內的動向，鑑定幹細胞分化時的決策因子，進一步控制幹細胞的分化方向。此外，須經過動物試驗及臨床試驗，以確保治療疾病時的安全性。 或許有一天，幹細胞就像嫦娥的仙丹一樣，有病的人只要打上一針，就可以自動修復有病的部位，減低社會的醫療成本，提升人類的生活品質。
