關於幹細胞的事情  2011-10-14

幹細胞突破 肝細胞獲重建

英國科學家研發出一種新幹細胞技術,能培育有效用的肝細胞,可讓病患最終得以擺脫所費不貲又極具風險的肝臟移植。

桑格研究院(Sanger Institute)與劍橋大學(Cambridge University)研究團隊利用尖端方法,修正取自患者皮膚切片幹細胞中的基因突變,再將這些幹細胞培育成新生肝細胞。

研究人員接著將新培育的肝細胞放到老鼠身上,結果顯示這些肝細胞都能發揮作用。

桑格研究院院長布萊德雷(Allan Bradley)表示:「我們研發出瞄準基因以及修正病人細胞中缺陷的新方法。」

布萊德雷在成果發佈會上說,這項該領域首度實驗成功的技術,採用基因修正,而非基因操控。

他指出,「雖然僅是早期階段,但這項技術若能用在治療上,將可能為病患帶來莫大助益。」

幹細胞是人體的主細胞,且是所有其他細胞的源頭。科學家表示,幹細胞能治療失明、脊髓與其他嚴重損傷,以及提供受損器官新的細胞,因而足以改造醫學。

這項研究發表於「自然」期刊(Nature)。

研究人員指出,以這項技術對罹患肝臟疾病的患者進行臨床實驗,可能還需5到10年。不過如果成功,肝臟移植將成為過去式。肝臟移植手術既昂貴又複雜,接受移植後的病人為避免新器官產生排斥,一生都需服藥。



資料來源︰http://www.worldjournal.com/view/full_news/16031357/article-%E5%B9%B9%E7%B4%B0%E8%83%9E%E7%AA%81%E7%A0%B4-%E8%82%9D%E7%B4%B0%E8%83%9E%E7%8D%B2%E9%87%8D%E5%BB%BA?instance=instant

幹細胞當墨水 把器官印出來

近年新開發的「3D列印」技術,未來可能「印」出器官。中央研究院基因體研究中心助研究員沈家寧指出,若把病人的幹細胞當「墨水」、用生物可分解的材料當「紙」,一張張「紙」印完再疊起來,紙分解後就變成立體器官。

人體器官可能因老化、感染、意外而導致功能異常或損壞,但器官捐贈者非常少,移植也可能產生排斥問題或手術失誤。

沈家寧表示,最近科學家發現幹細胞具有分化成為各式各樣細胞的能力,代表它也有製造器官的潛力。他解釋,電腦軟體先幫我們模擬器官切成很多片的樣子,經由3D印表機一層層印出來;雖然「紙」會分解,但上面的幹細胞卻留了下來,形成立體結構的器官。

美國南加州大學已經以此方式成功做出短血管等簡單組織,沈家寧說,他們預計10年內「列印」出皮膚、20至30年內「列印」出腎臟、肝臟或心臟。

沈家寧認為,這項技術最大的瓶頸在於幹細胞分化後,形狀結構、功能是否能和人體器官一樣?而且也要研究細胞疊在一起時會不會有交互作用。目前科學家已經利用幹細胞在人造材料上製成人工膀胱,測試3個月內還算有效。

 圖為以3D印表機「列印」出肝臟示意圖。



資料來源︰http://mag.udn.com/mag/campus/storypage.jsp?f_ART_ID=346499  

幹細胞的挑戰

幹細胞療法帶來的曙光與實際的臨床治療之間,橫亙著哪些障礙?

撰文╱藍札(Robert Lanza)、羅森塔爾(Nadia Rosenthal)翻譯/涂可欣



揭開幹細胞的祕密

















小鼠的心臟切片,圖中顯示左心室有38%的組織因心肌梗塞而受損(長方框處),於體外複製的幹細胞,在一個月內修復好組織。受損區域的特寫(上圖右)照顯示原來複製的幹細胞(藍色)和新長出的心臟細胞(紅色)。











有些細胞株只能分化出特定的細胞類型,有些細胞株在培養時生長遲緩。科學家在利用這些細胞株進行研究之前,必須先確定它們具備多能性。美國與加拿大的生物學家希望設立人類胚胎幹細胞實驗的標準,提議引用在非人類胚胎幹細胞研究中常用的兩種測試法。第一種是將胚胎幹細胞注射到動物身體組織中,如果它們形成畸胎瘤(teratoma,這種獨特的腫瘤中含有來自三種胚層的細胞類型),即可證明它們的多能性。另一種測試法則是標記這些可能的胚胎幹細胞,然後將它們注射到發育中的動物胚胎中。當動物出生後,如果有標記的細胞出現在所有的組織中,即可認定該細胞株具有多能性。然而,如果以這種方式來測試人類胚胎幹細胞特性,將會製造出全身帶有人類DNA的嵌合動物,許多人認為這有違倫理。再者,即使通過後面這種測試法,也並不能保證該細胞株在實驗室中會分化。

由於需要有更可靠的標記,來辨別真正具有多能性的胚胎幹細胞,因此科學家正如火如荼地研究,想為培養的胚胎幹細胞在不同時期啟動與關閉的基因分門別類。如果能有幹細胞基因表現的資料,不僅可以用來鑑別多能性胚胎幹細胞,也能讓我們深入了解這些細胞之所以成為幹細胞的條件。不幸的是,至今對胚胎幹細胞基因表現特性的研究結果相互矛盾,所以找尋胚胎幹細胞特徵的努力仍在繼續。

當然,幹細胞研究的最終目標,是要替換或重生身體中衰老的部位,像是糖尿病患胰臟中製造胰島素的細胞,或是帕金森氏症病患製造多巴胺的神經細胞。但誘使胚胎幹細胞分化出我們所想要細胞類型的技術,距離完美還很遙遠。

培養皿中的胚胎幹細胞,在獨立生長時,會自動分化出混雜了各種組織的形式;如果在適當時機加入特定化合物,則可引導它們長成某些細胞類型。不過胚胎幹細胞似乎仍有成為特定組織的傾向,例如長成一層心臟組織,而較難形成其他組織。

讓幹細胞運作

由於我們仍不清楚在胚胎發育時,是什麼訊號讓這些細胞走上某條特定的發育途徑,因此,許多研究者正在鑽研自然胚胎的「區位」(niche),以了解可能的環境訊號。還有其他科學家試圖整理胚胎細胞在分化時基因表現的模式,期待能找到哪些基因在開啟或關閉時,會指引細胞成為特定組織。

但衍生出想要的細胞類型,只是奮鬥的一部份。舉例來說,胚胎幹細胞很容易就可以長出滿滿一盤神經細胞,但這些細胞要在移植到活腦後,能夠和周圍神經聯繫且「交談」,才算真的有用。2001年,當美國國家衛生研究院的馬凱(Ronald McKay),報告他利用老鼠的胚胎幹細胞發展出製造胰島素的細胞,幹細胞研究者以為他們有了重大突破,因為這是幹細胞研究者渴望達成的目標。然而去年哈佛大學的梅爾頓(Douglas A. Melton)在重複馬凱的實驗時發現,這些細胞只是吸收了培養基中的胰島素,而非自己製造胰島素。因此找出能鑑定細胞真正具備功能的標記,是幹細胞研究社群另一項迫切的任務。

如果只需單純地將胚胎幹細胞注射到希望它們能重生的身體部位,讓它們自行接收周遭環境的訊號,就再理想不過了。不過,由於胚胎幹細胞的多能性,使得這種方法太危險,不適用於人體治療。這些幹細胞可能形成畸胎瘤,或分化成不是想要的組織類型,甚或是兩者同時發生。在動物實驗中,就曾發生畸胎瘤中含有完整牙齒的案例。

與其冒險直接注射胚胎幹細胞,而讓患者的腦或心臟長出腫瘤或牙齒,或掙扎著製造具備特殊功能的組織,許多胚胎幹細胞研究者正努力開發比較中庸的做法。在將幹細胞注射到人體前,可先誘使它們成為比較穩定、但仍具發展彈性的前驅細胞狀態,如此即可避免不受控制的分化,卻仍能利用環境的訊號,產生想要的細胞類型。

即使這些前驅細胞能融入環境並開始形成新組織,但是仍有可能遭受患者身體的排斥。胚胎幹細胞以及它們所衍生出的細胞,和移植的器官一樣,在細胞表面都帶有蛋白質(抗原),會讓免疫系統視為入侵者,而產生免疫排斥作用。不同的抗原類型可能有數百種的組合方式,也意味著這可能需要建立一個含有數十萬種胚胎幹細胞株的細胞庫,以比對出與患者免疫相容性最高的幹細胞。而要有這麼多細胞株,需要人工受精診所提供的上百萬個廢棄的胚胎。

有些研究者臆測可能並不需要如此龐大的細胞庫,我們可以先減低患者對胚胎幹細胞的敏感度,或是降低幹細胞本身的抗原性質,但這些做法都仍未有令人確信的驗證。目前要避開免疫排斥問題的唯一辦法,是利用患者本身的遺傳物質,以細胞核轉植或複製(cloning) 技術,來建立胚胎幹細胞株。這個技術已引起了相當多的爭議,而技術本身也仍有一些實際問題待解決,但重生衰老組織的動物實驗,已獲得鼓舞人心的成果。



讓細胞重新開始

















為培育胚胎幹細胞株,科學家需從囊胚取出內細胞團(這些囊胚通常是體外人工受精剩下的胚胎),將它們放在含有餵養細胞(feeder cell)的培養皿中,胚胎細胞會很快黏附在餵養細胞上。在幾天內,來自內細胞團的細胞會分裂出新細胞,並形成群體(上圖)。不過這些細胞要正式稱為胚胎幹細胞,還需符合兩個條件:它們要表現出幹細胞特有的標記;它們可進行數次細胞分裂或分盤培養,證明它們為穩定或永生的細胞株。











一般認為複製是讓病患細胞重新得到胚胎潛力的方法。人體由超過200種細胞構成,在哺乳動物體內一旦細胞特化成某一種類型後,通常就再也無法回頭,也就是所謂的「終末分化」(terminally differentiated)。唯一的例外,是將未受精卵中的遺傳物質抽出,而以體細胞的細胞核取代,此時卵細胞會誤以為以為受精了,而像正常胚胎一樣開始分裂。來自這種胚胎的幹細胞,將含有捐贈者體細胞核的DNA,但這些新的細胞將可以「重設程式」,回到具幹細胞特質的狀態,能夠產生任何類型的組織。

藍札(本文經作者之一)最近就證實,將來自複製小鼠胚胎的部份分化幹細胞,注射入提供體細胞核的小鼠的心臟時,這些細胞會移動到因心臟病發而受損的部位,並在一個月內,以健康的心臟組織修復了38%的傷疤。而第一個經「體細胞核轉植技術」(somatic cell nuclear transfer, SCNT)製造的人類胚胎幹細胞株,也在今年誕生了。科學界有少數人曾懷疑,細胞核轉植技術能否適用於靈長類,以製造醫療性的幹細胞。而韓國漢城大學的黃禹錫和他同事,則證明這項技術在靈長類也是可以辦到的。這支韓國研究團隊在今年2月時宣佈,他們利用SCNT製造了人類胚胎,並將它培養至囊胚期,然後從中培植出一支具多能性的胚胎幹細胞株。他們的成果是一項重要的里程碑,但也同時顯示出我們仍面對著許多未知。

由於黃禹錫的團隊取得了242個捐贈卵,讓他們能以實驗得到每一步驟所需的技術、時間和條件,即使如此,從數百個卵子中,他們也只得到一個胚胎幹細胞株,這些研究者還說他們,不確定是靠哪一種方法才成功。如果要重設卵子的發展,還有很多神秘機制需要了解﹔在製造和培養細胞核轉植胚胎時,任何步驟都有可能出錯。

科學家仍然無法確定,重設程式本身或處理胚胎的其他過程,是否會引起基因突變,使得胚胎幹細胞容易老化或癌化,我們需要更多的研究來檢查這些潛在的問題。在使用帶有遺傳性基因突變(例如血友病或肌肉營養性萎縮症)患者的細胞來製造胚胎幹細胞之前,也需要先矯正缺陷基因。不過,常利用在小鼠胚胎幹細胞上的特定基因修正技術(gene-specific modification),也曾經成功地應用在人類的胚胎幹細胞上,提供了安全矯正突變的方法。

另一個受到質疑的問題,是由複製胚胎而來的幹細胞的整體健康狀況。因為經由複製產生的動物,有格外高的畸形率和死亡率。然而為了測試複製胚胎幹細胞株的潛能,而將細胞注射到發育中的動物囊胚時,產生的動物看來完全正常。這個結果顯示雖然生殖複製的結果難以預測,顯然不適用於人類,但從細胞核轉植胚胎產生的幹細胞,至少就醫療目的而言,是與正常胚胎幹細胞相等的。

另一個不牽涉SCNT或體外人工受精胚胎的技術,也有類似的安全顧慮。在孤雌生殖(parthenogenesis)的技術中,未受精的卵可利用化學藥品處理,而像受精後一般的開始分裂,這樣的偽胚胎或「孤雌生殖胚球」(parthenote),比用SCNT產生的胚胎容易培養。在動物實驗中,孤雌生殖胚球產生的胚胎幹細胞,在培養時也能夠分化成多種細胞類型,並通過畸胎瘤測試,形成來自三個胚層的細胞。

一般正常體細胞有來自父親的一組染色體和母親的一組染色體,而孤雌生殖胚球則含有二組母親的染色體,這種重複性讓胚球有足夠的基因,但也讓胚球在植入子宮後無法存活。染色體只來自母親,這意味著孤雌生殖胚球細胞的抗原組合,可能只有正常胚球的一半,比較容易與病患的免疫系統相容,因此只需不到1000個來自孤雌生殖胚胎的幹細胞株,就足以建立與大部份美國人免疫相容的細胞庫。

還要多久才能進行胚胎幹細胞醫療法的人體測試,除了要看科學方面的問題何時可解決外,政治也是影響因素(參見前頁〈政治,是幹細胞研究的最大阻礙〉)。我們所知較多也較易控制的細胞類型,像是製造多巴胺的神經細胞,或視網膜色素上皮細胞,可能在兩年內即可進行人體試驗。同時,科學家也開始找尋成人體內參與正常修補工作、並具有類似胚胎幹細胞驚人重生潛力的細胞。

資料來源︰http://sa.ylib.com/read/readshow.asp?FDocNo=489&DocNo=787 



























這是受精後5~6天的人類細胞,稱為胚囊。剝開囊胚取出的內部細胞圖(圖中紅色突出部份),可用來製造胚胎幹細胞。











幹細胞(stem cell)為衰敗的器官和目前無可醫的疾病,燃起了重生的希望。病患看到幹細胞幾乎神乎其技的報導後大受鼓舞,然而大部份炒得最熱的科學研究,隨後都遭到反駁。在爭論人類胚胎的幹細胞取得的正當性之際,還有其他研究結果也遭扭曲失真。

聳動與對立的聲音,已讓大眾和大部份科學家迷惑,究竟幹細胞治療在醫學上可不可行。如果美國和其他國家現在就撤銷對幹細胞的法律與經費限制,是不是隔天醫師就可以開始利用幹細胞來治療病患?目前可能不行,因為還有許多技術障礙有待克服。在幹細胞能安全地實現它們的許諾前,得先解決一些懸而未決的問題。

舉例來說,光是確認真正的幹細胞,就是一件很棘手的事。要讓科學家能夠分享研究結果,並評估控制幹細胞行為技術的成功率,首先得確定研究中使用的細胞,的確具備做為根源—或莖幹(stem)—的能力。它必須能夠衍生出各種細胞類型,而自身仍維持能繼續衍生的狀態。但儘管對幹細胞的詳審究查,也無法憑外表將它們區分出來,因為幹細胞是根據它們的行為而定義的。

在各種形式的幹細胞中,最多才多藝的就屬「胚胎幹細胞」(embryonic stem cell, ES cell),而最早的胚胎幹細胞是在20多年前從小鼠的胚胎中分離出來的。胚胎幹細胞來自非常早期的胚胎,在正常狀況下,它們會形成較晚期胚胎中,三種不同的胚層(見第41頁插圖),最後再衍生出身體內所有不同的組織。由於胚胎幹細胞保有製造體內任何類型細胞的潛在能力,因此它們是多能性的(pluripotent)。

全世界大部份現存的人類胚胎幹細胞,都源自體外人工受精後未使用的胚胎。科學家在研究這些胚胎幹細胞後發現,它們通常在冰凍和解凍後能夠復原,並在培養皿中分化出各式各樣的細胞。現在我們也越來越清楚,這些人類胚胎幹細胞株並不完全相同。