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幹細胞完美現形
幹細胞是能夠分化、分裂成其他組織甚至器官的特殊細胞,也是再生醫學的主角之一。幹細胞會修補人體內的受損組織,但到底是體內原本的幹細胞進行修補工作,還是由人工注入體內的幹細胞完成修補?
 
 
 
幹細胞是能夠分化、分裂成其他組織甚至器官的特殊細胞,也是再生醫學的主角之一。儘管科學家已經證實幹細胞會修補人體內的受損組織,但到底是體內原本的幹細胞進行修補工作,還是由人工注入體內的幹細胞完成修補?中央研究院細胞與個體生物學研究所游正博和原子與分子科學研究所張煥正兩個團隊跨領域合作,以會發出螢光的奈米鑽石標定幹細胞,長時間追蹤其在動物體內的行蹤,有助於科學家了解幹細胞在生物體內的分布、動向及其與器官組織的互動關係。

過去,科學家用來標記細胞的物質,包括化學染料分子、綠色螢光蛋白、量子點等,往往有毒性,會影響細胞活動,無法持久發光,且本身容易受到破壞。張煥正團隊發展出的奈米鑽石則具有無毒、不影響細胞活動、持久發光,且能與生物組織自己發出的螢光區分等優勢。

奈米鑽石的大小在100奈米以下,主要的組成物是碳。碳是生物體內最重要的原子之一,因此奈米鑽石有非常好的生物相容性,也不會影響細胞的功能與生長。而奈米鑽石之所以能發光,在於其特殊的結構:製造過程中,在鑽石本身的碳結構中添加氮原子,再打掉一些碳使結構形成空缺。若用波長532奈米的黃綠色可見光照射,這個空缺就會發出波長是698奈米的紅光。

奈米鑽石以其特殊結構而非化學或酵素作用來發出螢光,因此發光的時間特別長。人體的細胞內有各式各樣的化合物,有些在光線照射下也會發出螢光,時間大約1~4奈秒。但是,奈米鑽石發光的時間超過10奈秒,甚至可達20奈秒。因此,以顯微鏡觀察就可辨識出每一個細胞,並把奈米鑽石標記的細胞與周邊生物組織細胞區分開來。

游正博團隊則利用張煥正團隊研發的螢光奈米鑽石追蹤肺部幹細胞,證實這些奈米鑽石不會影響細胞的正常運作。此外,不同的細胞會吸引不同的幹細胞,譬如把肺臟幹細胞注射到小鼠尾巴上,肺臟幹細胞會隨著血液流動,最後停留在肺臟的特殊環境。最重要的實證成果是,同樣是肺部受傷的小鼠,注射幹細胞的小鼠肺部損傷修復情況明顯優於沒有接受外來幹細胞的小鼠。

游正博團隊證實使用螢光奈米鑽石能夠研究幹細胞在體內的情形,並了解移植後的幹細胞自體內的修復能力,以及身體內各種相關因子所扮演的角色。而螢光奈米鑽石的使用方法很簡單,只要把螢光奈米鑽石加入幹細胞培養基,一段時間後,細胞就會自己吸收螢光奈米鑽石。科學家在使用前,完全不需要多花時間學習新技術。

張煥正指出,除了一般幹細胞,螢光奈米鑽石能標記任何種類的細胞,例如未來有機會利用螢光奈米鑽石標記癌症幹細胞,進一步研究癌症細胞如何分化及擴散到身體其他器官。目前,張煥正的實驗室已能夠量產螢光奈米鑽石,供應全世界許多研究螢光奈米鑽石的機構。而張煥正與游正博團隊的跨領域合作,著實為奈米科學和幹細胞應用開啟了一個新的方向,未來勢必會發展出新的臨床應用。
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