作者：陳彥榮（任教臺灣大學(xué)生化科技學(xué)系）
我們從一顆受精卵細胞，經(jīng)過不斷的細胞分裂與細胞分化后，最終成為一個個體。 然而，在人體不斷新陳代謝的過程下，有些細胞會老化與凋亡，這時候則需要由新形成的細胞來做替換，以替補維持原本的器官與組織功能。 這樣的過程，干細胞（stem cell）則扮演著重要的功能。 在發(fā)育過程中，胚胎時期各式各樣的干細胞扮演著器官形成的重要使命；在受損的器官臟器中，成體內(nèi)的干細胞則負責(zé)修復(fù)與進行代謝。 由于這些干細胞具備分化與細胞復(fù)制的能力，也成為再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域最被期待的細胞來源。
什么是干細胞？
身體內(nèi)的大部分組成，往往都是已經(jīng)成熟分化完全的細胞，例如皮膚細胞、肝臟細胞，或是口腔細胞。 這些細胞的特性，在沒有任何的外力刺激或是突變下，通常被認為細胞的命運已經(jīng)決定，不會再轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌毎@樣的細胞通稱為「體細胞」（somatic cell）。
干細胞則是和這些已經(jīng)分化完成的體細胞有顯著的差異性。 干細胞是一群具備??有「分化能力」（differentiation）的細胞，可以在身體內(nèi)受到各式各樣的刺激，來改變細胞命運，分化成特定的細胞。
除此之外，干細胞也具備良好的增生能力，可以進行自我更新（self-renewal）。 一般的體細胞，在分化之后，幾乎不再進行細胞分裂，停止細胞增生。 然而，干細胞負擔(dān)起發(fā)育與組織修補的功能，如果不具備自我增生能力，則便無法產(chǎn)生足量的細胞，來執(zhí)行發(fā)育與修補的功能。
當(dāng)干細胞進行細胞分裂，將由一個細胞變?yōu)閮蓚€細胞的當(dāng)下，干細胞會接受指令；身體需要大量細胞補充功能時，干細胞會由一個干細胞分化成兩個下游細胞（分化）。 當(dāng)干細胞需要補充時，也會由一個干細胞變成兩個干細胞（自我更新）。 也有許多干細胞會進行所謂的「不對稱分裂」，分裂后的細胞，一個是原本的干細胞，一個則是欲分化的細胞。
圖一：干細胞具備自我更新能力，可以不斷的增生。
同時，也具備分化下游細胞的能力。
干細胞的數(shù)量往往需要精準(zhǔn)的恒定，例如控制毛囊里黑色素的干細胞，如果不斷的走向「分化」，沒有即時的自我更新復(fù)制，當(dāng)用完了這樣的黑色素干細胞后，黑發(fā)就會慢慢變成白發(fā)。
干細胞的能力
干細胞依照發(fā)育時期，常聽到的主要可分為兩大類：發(fā)育時期中的干細胞與成體干細胞（adult stem cells）。 胚胎干細胞（embryonic stem cells）即屬于發(fā)育時期中的干細胞，其來自于動物或是人體發(fā)育胚胎中具有多能性分化能力之干細胞，具備能分化成各式各樣組織器官細胞的能力。 在成體中，成體干細胞則存在于各個發(fā)育成熟的組織器官中，通常為該組織之前驅(qū)細胞。 到目前為止，相關(guān)文獻上已記錄了從骨髓、腸道、皮膚、肝臟等器官之案例，這些組織均能分離出此類未分化而具有分化能力的成體干細胞。
干細胞具備有分化能力，但是會有所不同。 在胚胎發(fā)育早期，受精卵分裂發(fā)育成為八個細胞的階段，此時每一顆細胞分開后，均可以發(fā)育形成一個完整個體。 這樣的干細胞我們稱之為「全能性干細胞」（totipotent）。 另外，像是「多能性干細胞」（pluripotent）則是可以分化成身體內(nèi)的各式各樣細胞，但是沒有辦法單一顆細胞就形成個體。 目前，有一些從骨髓取出的間葉型干細胞或是造血干細胞則可以分化成多種形式的細胞，但其分化能力較有限，某些細胞沒有辦法進行分化，這類的細胞我們稱為「多潛能干細胞」（multipotent）。 隨著不同分化層階，越后段的干細胞，分化的能力也越有限。
圖二：干細胞的分化潛能。 干細胞具有不同層級能力的分化潛
能，從可以形成完整個體的全能干細胞到下游分化能力有所局
限的干細胞。 在正常的發(fā)育過程中，往往下游低分化能力干細
胞無法回溯至上游多潛能干細胞。 （作者提供）
人類胚胎干細胞
由于胚胎干細胞相較于成??體干細胞，更能達??到分化為各式各樣細胞的能力，在醫(yī)療應(yīng)用上也被期待（圖三）。 在1998 年，美國詹姆士． 湯姆森（James Thomson）團隊利用不孕癥治療手術(shù)所剩余的胚胎細胞，自已分裂成原始囊胚體（blastocyst）之內(nèi)部細胞加以分離培養(yǎng)，成功的得到五個細胞株。 此五個細胞株具有胚胎干細胞表面標(biāo)記外，亦可進行分化，形成滋養(yǎng)層細胞以及外胚層、中胚層和內(nèi)胚層等三個胚層組織，成為第一個人類胚胎干細胞株（human embryonic stem cells） 。
圖三：人類胚胎干細胞集叢。 胚胎干細
胞源自囊胚內(nèi)部細胞，屬多能干細胞。
雖然人類胚胎干細胞技術(shù)已被發(fā)展成功，但此技術(shù)牽涉到人類胚胎之取得與利用，所引起之倫理爭議引起大眾的憂慮。 雖然現(xiàn)今在美國進行人類干細胞之研究，已經(jīng)不受以往的禁令約束，但是在美國或是其他國家，對于人類胚胎干細胞的研究仍顧慮到來源，在細胞的取得上往往有明確的要求和限制。 因此，在醫(yī)療臨床應(yīng)用或是研究上，人類胚胎干細胞仍受到道德倫理的限制而進步遲緩；另一個主要的問題在于，現(xiàn)在的胚胎干細胞株并非來自于患者本身，用于治療時，無法回避患者本身免疫系統(tǒng)之攻擊與排斥。
人工多能性干細胞
盡管人類胚胎干細胞的分離與確立，使得人們對于干細胞科學(xué)的應(yīng)用有相當(dāng)?shù)钠诖?；然而倫理上的爭議，卻讓胚胎干細胞的研究無法前進。 因此，如果能夠透過其他方式，獲得具有多能性干細胞能力的細胞，勢必可以讓再生醫(yī)學(xué)的發(fā)展更進一步。
體細胞核轉(zhuǎn)移
在早期，便有許多團隊投入體細胞核轉(zhuǎn)移（somatic cell nuclear transfer, SCNT）之技術(shù)，將體細胞內(nèi)之細胞核注入至捐贈者之去除核的卵子中，來形成全能性干細胞。 最先發(fā)展這項技術(shù)的英國科學(xué)家約翰． 戈登（John Gurdon）也因此獲得了2012 年的諾貝爾獎。 然而，SCNT 技術(shù)在高等生物中，目前仍有許多問題存在。 例如利用SCNT 制作出來的復(fù)制羊桃莉，它的壽命也較正常羊只短，推測可能是在核轉(zhuǎn)移的過程中，對于端粒造成了傷害。
過去在靈長類的SCNT研究上，南韓黃禹錫研究團隊一度宣稱創(chuàng)下突破性的成果，并率先將其成果發(fā)表于Science期刊；爾后，卻被發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)捏造，使得這個構(gòu)想的可行性備受質(zhì)疑。 此外，在美國奧利剛健康大學(xué)的米塔利波夫（Shoukhrat Mitalipov）團隊，利用相同的方式，從恒河猴（rhesus macaque） 的皮膚細胞，利用體細胞核轉(zhuǎn)移的方式制造出胚胎干細胞，雖然復(fù)制的效率還是極低，但也成功從囊胚中分離出兩株胚胎干細胞株；此乃利用SCNT 形成之胚胎干細胞株，首度被證實可應(yīng)用于靈長類。 2013 年五月，米塔利波夫團隊再度運用同樣的技術(shù)，創(chuàng)造出以SCNT 技術(shù)制作的人類胚胎干細胞，并且用這樣的細胞，發(fā)育成體內(nèi)的各式各樣的不同細胞。 這項技術(shù)雖??然可以解決免疫系統(tǒng)排斥的問題，但是仍涉及卵子取得之道德爭議以及形成胚胎干細胞效率不佳的困難。 同時，由于過程中創(chuàng)造出人類全能性干細胞，將有可能衍生出復(fù)制人，這也是倫理上值得思考的議題。
胚胎干細胞融合–再程序化技術(shù)
另一個可以制作多能性干細胞的方式為利用細胞融合的方式。 可以藉由將體細胞與胚胎干細胞進行細胞融合而達成，稱為胚胎干細胞融合– 再程序化技術(shù)（ES cell fusion-mediated reprogramming, FMR）。 雖然這樣的方式可以獲得多能性干細胞，但這個技術(shù)依然需要使用到胚胎干細胞，以至于在將來的應(yīng)用上依然牽涉到道德問題。
人工誘導(dǎo)式多能干細胞
2006 年時，日本京都大學(xué)山中伸彌（Shinya Yamanaka） 教授的團隊發(fā)現(xiàn)只須將四個與干細胞特性相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子Oct3/4、Sox2、c-Myc， 以及Klf4（ 簡稱OSKM，也被稱為「山中因子」Yamanakafactors），利用反轉(zhuǎn)錄病毒的方式導(dǎo)入小鼠皮膚纖維母細胞后，即可以促使纖維母細胞重新再程序，形成具有多能性干細胞的分化能力。 這樣的細胞， 稱為「誘導(dǎo)式多能性干細胞」（iPS細胞；induced pluripotent stem cells, iPS cells）。
圖四：桃莉羊。
綿羊桃莉是第一個以體細胞核轉(zhuǎn)移技術(shù)成功復(fù)制的哺乳動物。
干細胞的能力，往往需要回到體內(nèi)進行驗證。 起初小鼠皮膚纖維細胞所得到的類似多能性干細胞之能力，在2007 年獲得證實。 小鼠iPS 細胞，如同胚胎干細胞般，可以移植回到囊胚體中，隨著小鼠胚胎進行發(fā)育，最后形成「嵌合體鼠」（chimera mice）個體，也就是小鼠部分細胞來自于外源細胞（此處指iPS 細胞）。 近期，又證實能由嵌合體鼠交配生殖出一整只完全由iPS細胞來的小鼠。 這些成果顯示，小鼠iPS 細胞具備有小鼠胚胎干細胞的功能，也就是可以分化成三胚層，也能發(fā)育成一整個個體。
圖五：制作人工多能性干細胞的三種方式。
除在小鼠中成功制作了iPS細胞，山中團隊并進一步于2007年制作出人類iPS細胞；大約同時期，美國的詹姆士． 湯姆森研究團隊也以類似的技術(shù)成功制作出了人類iPS 細胞。 不過，湯姆森所使用的是Sox2、Oct3/4、Lin28 和Nanog 轉(zhuǎn)錄因子，與山中團隊不同。 該技術(shù)不僅操作簡便，并開創(chuàng)了得以從人類的體細胞（例如皮膚細胞、血液細胞）等制作出多能干細胞之先例——不以人類胚胎為材料，不會涉及倫理問題——讓人們對于再生醫(yī)學(xué)產(chǎn)生了很大的期待。 iPS 細胞的發(fā)明，也讓山中伸彌教授榮獲2012年諾貝爾生醫(yī)獎。
iPS細胞的安全制作？
到目前為止，已經(jīng)可以從不同物種的細胞制作iPS 細胞，例如人類、小鼠、大鼠以及獼猴（rhesus monkeys）等。 目前所發(fā)表的研究報告顯示，將各式各樣體細胞，依據(jù)不同的細胞性質(zhì)，導(dǎo)入不同種類的再程序化因子——例如把老鼠的纖維母細胞（fibroblast）導(dǎo)入山中因子OSKM——即可再程序化。 但是在神經(jīng)干細胞中，只需要轉(zhuǎn)錄因子Oct3/4 即可促進細胞再程序化，之所以如此，最主要仍是依據(jù)細胞內(nèi)這類再程序化基因的表現(xiàn)量；例如神經(jīng)干細胞中富含Sox2，因此不用外加Sox2 即可誘導(dǎo)形成iPS 細胞。 不過目前制作的效率仍偏低，因此科學(xué)家們也正在嘗試利用微小RNA 或是其他因子來制作iPS 細胞，借以提高效率。
值得注意的是，在制作iPS 細胞的轉(zhuǎn)錄因子中， 例如c-Myc 本身就是一個致癌基因，利用這樣的致癌基因雖然可以增加iPS 細胞的形成效率，但是制作出來的iPS 細胞可能有相當(dāng)大的風(fēng)險。 爾后山中團隊的研究也發(fā)現(xiàn)，可以利用另一個轉(zhuǎn)錄因子n-Myc 來取代c-Myc，如此不僅避開c-Myc 的致癌危險，也能保有c-Myc 的效率。 另外，使用一些小分子，例如維生素C，或是DNA 甲基轉(zhuǎn)移酶抑制劑（DNA methyltransferase inhibitors）、組蛋白去乙醯酶抑制劑（histone deacetylase inhibitor）來輔助染色體的組裝重整，均被證實可以有效增加再程序化的效率。
如何將這幾個再程序化因子導(dǎo)入體細胞，也是iPS 細胞在使用時重要的考量點之一。 在初期，iPS 細胞的樹立，常利用一些病毒載體，包括反轉(zhuǎn)錄病毒、腺病毒及慢病毒等載體。 近來也發(fā)展出有使用非病毒質(zhì)體、基因的蛋白質(zhì)產(chǎn)物，來誘導(dǎo)iPS 細胞形成的技術(shù)；不同的導(dǎo)入方式，也影響iPS形成之效率與使用安全性。
人工多能性干細胞之研究前瞻
從iPS細胞到造血干細胞
日本東京大學(xué)的中內(nèi)啟光教授在美國的《分子治療》期刊發(fā)表成果，指出該團隊成功將人類的iPS細胞轉(zhuǎn)換成「造血干細胞」，這項技術(shù)將可望有朝一日能用于治療血液相關(guān)疾病。
這項研究中，研究人員先將所制造的人類iPS 細胞，直接移植入缺乏免疫的突變小鼠體內(nèi)，由于iPS 細胞具備有多能分化潛能，故在小鼠體內(nèi)形成具有三胚層的畸胎瘤。 在注射一些誘導(dǎo)生長的因子后，畸胎瘤中便進一步產(chǎn)生了人類的造血干細胞。 同時，這些造血干細胞也可以再移植至小鼠的骨髓內(nèi)，并證實具備正常的造血功能。
為了驗證這樣的造血干細胞能否長期運作、發(fā)揮功能，研究人員將此類造血干細胞取出，移植至經(jīng)放射線照射過的小鼠體內(nèi)；三個月后，從小鼠骨髓中仍可見到當(dāng)初移入的人類造血干細胞，并且此時小鼠體內(nèi)全部的血液細胞均由這些造血干細胞所制造。
盡管在這個研究之前，也有不少科學(xué)團隊曾嘗試將人類iPS 細胞分化至造血干細胞，然而，這些干細胞多半仍無法成功移植、發(fā)揮作用。 待這樣的技術(shù)成熟，預(yù)計未來將有機會提供白血病等疾病新的治療方式；例如在臨床應(yīng)用上，便有可能藉由「豬」或其他物種，來生產(chǎn)大量的造血干細胞，用以治療過往形同絕癥般的血液疾病。 如此不僅克服了倫理問題，也解決了醫(yī)療上骨髓捐贈不足的困擾。
利用iPS細胞來重現(xiàn)癲癇的腦內(nèi)病態(tài)
在2013年五月，日本福岡大學(xué)以及慶應(yīng)大學(xué)學(xué)者所組成的研究團隊，利用「已經(jīng)無法藥物控制」的癲癇病患的皮膚細胞，成功制作出「病患的iPS 細胞」。
癲癇是一種神經(jīng)系統(tǒng)性的疾病，通常因為腦損傷病變后，腦細胞無法正常運作，導(dǎo)致過度放電所引起的腦部疾病。 染上癲癇的病患，終身需要靠著藥物來控制神經(jīng)細胞的運作。 癲癇也會出現(xiàn)痙攣、暫時性失憶、四肢抽搐、口吐白沫等癥狀。 在目前，全球約有1％的人具有癲癇，而在這之中約有三成的患者，無法借藥物抑制的方式控制病情。
「小兒肌張力型癲癇癥候群」是由于在體內(nèi)先天SCN1A 基因產(chǎn)生缺失，所引起癲癇狀的癥候群。 福岡大學(xué)和慶應(yīng)大學(xué)團隊的研究內(nèi)容為，利用從幼兒期就會發(fā)病的「小兒肌張力型癲癇癥候群」病患的皮膚細胞制作成iPS 細胞，再利用病患的iPS細胞分化至神經(jīng)細胞，其后便得以進一步利用該神經(jīng)細胞來探討這類病患的腦部的機能。
這類的神經(jīng)細胞的試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與正常人的神經(jīng)細胞相比，由「小兒肌張力型癲癇癥候群」病患制作出來的神經(jīng)細胞所產(chǎn)生的「抑制性」功能的電生理訊號表現(xiàn)低下— —其反映出病患體內(nèi)神經(jīng)細胞之生理——因而導(dǎo)致癲癇。
利用iPS細胞形成免疫細胞大軍治療癌癥
日本熊本大學(xué)的千住覺準(zhǔn)教授在2013年七月發(fā)表了一項利用iPS細胞進行癌癥治療新方式。 這項技術(shù)是將iPS 細胞在體外制作成免疫細胞，之后利用這些「被訓(xùn)練好」的免疫細胞進行癌性腹膜炎或是胰臟癌的治療。
癌性腹膜炎發(fā)生在胃的外側(cè)，罹患此癥的患者往往無法藉由胃癌切除手術(shù)治療，也無法有效利用抗癌藥物；在發(fā)現(xiàn)罹病后，往往只剩下一年多的壽命。 類似的情況也發(fā)生在胰臟癌患者身上，胰臟癌在發(fā)生初期也不容易發(fā)現(xiàn)，一旦發(fā)現(xiàn)，也往往很難有效治療。
千住教授的團隊在2011 年時，已成功將iPS 細胞在體外分化成免疫系統(tǒng)中的巨噬細胞。 千住教授希望能夠利用免疫細胞辨識外來細菌等特性，讓免疫細胞可以經(jīng)過訓(xùn)練，來辨識癌細胞。
在2013 年的最新研究里，千住教授將人類的胃癌、胰臟癌細胞放入免疫缺乏的小鼠中，任其生長形成腫瘤。 實驗分成兩部分，一組是在放入的過程中，同時也放入免疫細胞（由iPS 細胞分化，并具備辨識癌細胞能力）；另一組則是沒有置入免疫細胞。 兩周后，在有免疫細胞的群體中，幾乎所有的癌細胞都被殺死，然而沒有免疫細胞的組別，腫瘤細胞在兩周內(nèi)便遍布小鼠腹腔。
千住教授希望將來能讓這樣的技術(shù)，搭配一般現(xiàn)行的療法，發(fā)展出新的癌癥治療方式（圖六）。
圖六：利用iPS 細胞分化至免疫細胞，用以辨識不正常病態(tài)細胞。 （作者提供）
結(jié)語
人工多能性干細胞的發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用，使我們對一些疑難雜癥有了新的思維。 盡管目前在這些人工多能性干細胞的使用上，仍有些許安全上的疑慮，但是在這些研究過程中，也許可以給我們一些新的啟發(fā)，進而推展出不同以往的醫(yī)療方式。 同時，人工多能干細胞的制作過程伴隨著「細胞再程序化」，這個概念也顛覆了過去人類對于細胞命運的看法，此后科學(xué)家也在許多生理與病理的形成過程中看到細胞再程序化的類似情形；這些發(fā)現(xiàn)，將有助于使我們理解世界上繁復(fù)的生命現(xiàn)象，并促成研發(fā)新式的藥物與療法。
