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畜產生物科技：幹細胞科技

92/12/10 6143

陳立人｜行政院農業委員會畜產試驗所

一段脊髓損傷者的心聲

美國〈超人〉影集男主角克里斯多夫．李維，因騎馬發生意外，導致脊髓損傷，四肢癱瘓。在他絕望地想就此了卻一生時，他的愛妻黛娜含著淚告訴他：「你依然是你，而且我愛你。」就是這句話拯救了他，使他成為終身的超人，如今他是全球知名的脊髓損傷組織代言人。

臺灣目前有二萬多名像克里斯多夫．李維遭遇的脊髓損傷患者，而且每年持續有一千二百名新患者增加。發生的原因幾乎都是車禍或意外受傷，造成個人、家庭及社會極大的負擔，但是他們都是不向環境屈服的超人！這些一輩子要坐輪椅的超人，迫切需要獨立生活及職業重建訓練，以獲得一技之長，回歸家庭與社會，迎向健康、快樂、有希望的新生活。

動物的再生能力

人的一生中即使再怎麼小心，也難以避免意外受傷。有些傷害是可以完全復原的，如牙齒咬破舌頭所造成的傷口；有些傷害則會留下疤痕，對於身體的功能還不至於造成妨礙；不過，也有些傷害卻會造成永久性的功能損壞，甚或奪去人的性命。長久以來，動物的再生能力便是人們所欽羡，並且企圖了解的課題。渦蟲被切成兩半或是蚯蚓被切成許多段，都會分別再長成一個完整的個體。遇險時，壁虎會斷尾求生，螃蟹則斷肢棄螯，這些失去的部分身體在經過一段期間後，都會再度生長出來，而且和原來的肢體有一樣的功能。

人的身體中再生能力最強的器官是肝臟，但是也沒有辦法在絕大部分硬化壞死或完全摘除後，無中生有地再生出新的肝臟來。人的皮膚受傷後雖然也會癒合，但如果傷得太嚴重，就難免會長成難看的疤。以目前的醫術，尚無法使人再長出失去的肢體，或是完全治癒車禍以及意外造成的脊髓損傷，避免步上肢體癱瘓的命運。

是否可以找到一些方法讓人的再生能力提高，顯然無法像渦蟲與蚯蚓那般神奇的程度，至少也可以有類似壁虎或螃蟹的自我修復？或者利用類似的機制，在人體外製造組織或器官，把它當成零件，來替換人體受損的部分？

根據長久以來在動物再生能力方面的觀察，再加上上述的憧憬，於是有所謂的「再生醫學」這項新興領域的發展。再生醫學所涉及的領域，主要包括幹細胞科技、組織工程、基因治療及基因轉殖等四項；其中又以幹細胞及組織工程二項技術為發展主軸，以期開發生物性的產品和相關技術，來修復或取代因疾病、外傷所受損的組織或器官。幹細胞在再生醫學上的應用包括細胞治療，以及做為組織工程上形成組織或器官所需的細胞來源。

什麼是幹細胞

哺乳動物生命開始於受精–精子和卵子的結合–的瞬間，受精後的卵子（受精卵）會歷經一連串的分裂，成為由16到32個胚細胞組成，外表類似桑椹果般有許多突起圓球的胚體，稱為桑椹胚。隨後，在桑椹胚的內部會逐漸形成一個囊腔，而胚體外部的細胞會形成大型的滋養層細胞，與此同時內部的細胞則緊湊化，形成小型而緻密的內細胞群細胞，這個階段的胚稱為囊胚。

當囊胚在子宮內著床後，囊胚的滋養層細胞會分裂，並分化而形成胎盤，負責胚與子宮間的溝通，胚經由胎盤從母體得到營養分的供應，胚體的代謝物也透過胎盤移出；著床後囊胚的內細胞群細胞會持續分裂，並依照基因的指示，逐漸形成胎兒。通常，胚胎學上對「胚」與「胎」的區分，是以神經系統的出現為分界，神經系統發生前的胚體稱為「胚」，之後則稱為「胎」或「胎兒」。

從受精卵的單一細胞，發展到約有六兆個細胞的個體此一過程中，細胞一直在增殖並且依基因的時程，分化成各種構成身體的特定細胞、組織器官和系統。這就好像是從一棵植物的莖幹分生出枝、葉、花、果。因此，哺乳動物胚體內或成體內，所有具有可以自我增殖與進一步分化，而成為構成身體各種特定細胞的細胞，就稱為「幹細胞」。

幹細胞為具有長期自我增殖、更新能力，以及能夠進一步分化，成為具有特異型態與特定生理功能的成體細胞的細胞。依其衍生的來源約略可以區分為三類；其中，衍生自囊胚內細胞群的稱為胚幹細胞；衍生自胎兒原始性脊的始基生殖細胞族群的，就稱為胚生殖幹細胞。以上二類幹細胞都是來自出生前的胚與胎兒的細胞，因為其分化程度屬於比較早期的階段，所以可以分化為構成身體的各類細胞，也因為它們具有如此廣泛的分化能力，所以科學家將它們稱呼為「具有分化多能性」的幹細胞。

此外，在出生後的個體內，科學家也發現有幹細胞的存在，諸如從初生兒的臍帶血液中，或從成人體內的骨髓、血液、血管、眼睛的鞏膜與網膜、大腦的海馬迴與嗅球部位、骨骼肌、牙齦、肝臟、皮膚的真皮層、腸道內裡表層、胰臟等成體組織，都可以分離出幹細胞，這類的幹細胞因為是從成體內分離得到的，所以被稱為「成體幹細胞」。

幹細胞能做些什麼

由於具有可以進一步分化為特定成體細胞的特性，因此幹細胞除了可提供基礎學理研究，以探討胚胎發育與基因表現的優良材料外，在再生醫學的研究領域裡，科學家也積極探討利用幹細胞配合組織工程的發展，期望用來修復因物理性、化學性、生物性所造成的損傷，或遭疾病侵害的成體細胞、組織以及器官，使之重建或回復正常的功能。

運用這項技術，對於一些因為細胞損傷或功能異常，而產生的病變以及退化性疾病，諸如帕金森氏症、阿茲海默症、糖尿病，慢性心臟病、退化性肌肉萎縮症、骨質疏鬆症、脊椎損傷等，以往認為是永久性失能的損傷，提供了一個矯正或治癒的願景。
此外，若將幹細胞配合適當的基因修飾操作，則可對人類的遺傳疾病，如白血病、地中海型貧血症、苯酮尿症、黏多糖症、重症複合免疫不全症等，進行基因治療。

根據統計，光是美國地區每年就有二百萬以上的人，等待著捐贈的器官做移植醫療，而其中約有三分之二的人，最後還是在等待中去世。源自胚與胎兒的幹細胞具有「多能性的分化能力」，而來自成體組織的成體幹細胞則具有「分化可塑性」，人類是否可以利用這些幹細胞，藉著培養的方式在體外大量地增殖，然後再植回動物體內，用以修補或替代已經損壞而失去正常功能的組織或器官，使得動物體永遠有源源不絕的「零件」可以更換，進而讓生命在一定的生活品質下維持得更長久呢？

幹細胞科技的未來展望

在動物胚幹細胞或成體幹細胞的活體移植試驗研究中，生物學家發現將幹細胞移植到損傷的心臟或肝臟，這些幹細胞會分化成為心肌細胞或肝臟細胞。當把成體或胚幹細胞引入脊椎或腦部受傷的大鼠後，這些幹細胞可以讓受損的功能得到某些程度的恢復。類似的研究結果不斷地出現，讓人不禁對於幹細胞科技的未來發展充滿了鼓舞和希望。

然而，胚幹細胞或生殖幹細胞是取自於活胚或胎兒的組織，對人類而言，這兩類幹細胞的取得，在道德上有很大的爭議性。此外，一個個體內的成體幹細胞數量也甚為稀少，就以成體內為數最多的骨髓幹細胞而言，僅占骨髓細胞族群的萬分之一而已，而且有難以分離和進一步純化的問題；即使能夠分離純化出來，以目前的技術也無法將這些數量有限的成體幹細胞快速且大量地增殖到足夠的數目，提供臨床上應用於醫療性移植以替補損傷組織的實際需求。除了上述難題之外，如果提供和接受移植成體幹細胞的個體不是同一個，還必須面對排斥與免疫學上的問題。

自從複製羊–桃麗的出生，開啟了體細胞複製的可能性。於是科學家擘劃出利用自己的體細胞產生複製胚，再由複製胚取得幹細胞，並於體外培養大量增殖，用來替換自己身上的損傷細胞、組織或器官，而且不會產生排斥問題的可能願景–這就是「醫療性複製」的概念。只是到目前為止，複製胚的成功率不高，因此如何提高複製的效率，乃是這項科技發展的瓶頸之一。

雖然，對於胚與生殖幹細胞的分化多能性，以及成體幹細胞的分化可塑性，二者在實際應用上的輪廓已漸清晰，但是當今的科學，對於細胞分化機制的了解還是十分有限。以目前的科技能力，尚無法準確地「指導」幹細胞分化，使之成為單一且特定的成體細胞族群，因此對移植入個體組織或器官內的成體幹細胞，會「變成」我們所期望的那一種體細胞，也就毫無把握了。所以目前在醫療性移植方面，也和成體幹細胞一樣，二者都面臨著必須先克服如何控制幹細胞分化成為「正確體細胞」的問題。

另一方面，由於幹細胞在性質上與體內的癌細胞相近，在動物試驗裡，曾發現移植體內的幹細胞出現癌變的情況。所以在利用幹細胞進行醫療移植之前，科學家必須釐清幹細胞的分化機制，使得幹細胞的分化路徑，可以依照需求而予以正確地調控，使其分化成為所需的正常體細胞且不致癌變。

屆時，人類對於醫療性移植的技術就可以跨出一大步了，那些因為細胞損傷或功能異常而產生的病變，以及退化性疾病的病情也就可以獲得相當大的改善。如果進一步配合組織工程的科技研發，找出器官形成的控制機制，以培養幹細胞並指導其分化，來產製替換老舊失效器官所需的「器官零件」，必將是未來發展的趨勢！

資料來源

《科學發展》2003年12月，372期，30 ~ 35頁

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