十項全能:幹細胞簡介

文/洪晨瑋

圖/胡睿珊

  你可曾在生活中遇過那種「十項全能」的朋友?不管是讀書、運動、音樂、藝術、經營社團、甚至是談戀愛都難不倒他?我們總是羨慕擁有這種特質的人,而我們體內的細胞或許也有這樣的想法。人體內其實也曾存在一群全能的細胞,能夠在適當的條件下成為纖維、神經、肌肉、內分泌細胞。究竟是甚麼細胞這麼神奇?本期文章就要帶大家深入認識這群十項全能的「幹細胞」!

幹細胞的分類與來源

  要徹底搞懂幹細胞,我們就得先從它們的定義和分類開始談起:如果把人體內各細胞的族譜畫成一張樹狀圖,那幹細胞(Stem cells)正如它名字中的「幹」字所形容的,是最中間的主幹,能開枝散葉形成不同的細胞;廣義來說,凡是有能力分化為其他種類細胞者就可以稱為幹細胞。依照分化能力的強弱,目前主要將幹細胞分類為四大類:全潛能性(Totipotent)、富潛能性(Pluripotent)、多潛能性(Multipotent)以及單潛能性(Unipotent)[註1]。說明這些幹細胞之間的差異之前,讓我們稍微了解一下胚胎的發育過程:首先,受精卵進行數次細胞分裂,在發育第4天左右形成桑葚胚(Morula);接著細胞就會開始分化,約在第七天完整的形成囊胚(Blastula)。囊胚的結構分為三區,分別為:囊胚最外層細胞的滋胚層(Trophoblast)、內側的內細胞團(Inner cell mass)以及前兩者之間的空腔,囊胚腔(Blastocoel)。滋胚層在囊胚著床後會形成大部分的胎盤,而內細胞團未來會形成三種胚層,每個胚層又會分化形成不同的器官或組織。 在上述的過程中,構成桑葚胚的每個細胞都有可能發育成組成人體以及胎盤的任何細胞,因此被歸類為全能性幹細胞。富潛能性幹細胞的分化能力則比全能性幹細胞稍微弱一些,只能分化成三個胚層內的任一種細胞,無法成為胎盤的一部分。多潛能性幹細胞的例子則包括我們在前幾篇文章中提過的間葉幹細胞,它們能夠分化為多種組織中不同的細胞,如硬骨細胞、軟骨細胞、橫紋肌細胞等等。前幾年在台灣很流行的「臍帶血幹細胞」也是一群種類多元的多潛能性幹細胞。最後,單潛能性幹細胞則是只能分化成單一細胞的幹細胞。

人工幹細胞

  幹細胞和一般體細胞最大的不同點除了多元的分化能力以外就是它們持續分裂的特性,因此許多科學和醫學研究者對幹細胞展開了很多研究,也獲得了不少成果。其中最重要的莫過於2012年諾貝爾生理暨醫學獎的得獎題材:誘導富潛能性幹細胞(Induced pluripotent stem cell,縮寫iPSC)。這種幹細胞不是自然產生的,而是在實驗室中製造的產物。一般來說,幹細胞在人體內一旦分化完畢就不會再「反分化」回去,但誘導富潛能性幹細胞是由已經成熟的體細胞,如纖維母細胞、淋巴球、神經元所加工而成。由於Oct4、Sox2、c-Myc和 Klf4 四個基因都被證實和幹細胞分化能力有關,因此科學家利用反轉錄病毒將這四個基因送入細胞中表現。在適當的胚胎幹細胞培養條件下就可以發現這些基因轉殖細胞的基因表現、分化能力都和自然的胚胎幹細胞幾乎沒有差別[1]。iPSC技術最大的價值在於它為使用胚胎幹細胞作為研究材料的倫理爭議解套,讓再生醫學研究能更全面、更無顧慮的在實驗室進行。

幹細胞與醫學

幹細胞在醫學上的應用大多利用了它的分化多元性,培養出幹細胞之後能依照需要修復的部位,以幹細胞培養出對應的組織或器官。而隨著iPSC技術的成熟,以患者自身的細胞修改而成的iPSC比從其他胚胎內取出的幹細胞作為移植材料更能進一步避免劇烈的排斥反應。曾有文獻指出iPSC分化後的神經元能在阿茲海默症患者腦內存活1年以上,並且能改善病患所喪失的運動能力[2]。而在2018年時衛福部已有限度的核准周邊血幹細胞及自體間葉幹細胞移植,為白血病病患以及脊髓損傷等病患帶來治癒的可能。另外,幹細胞也可以用來研究罕病患者身上的異常細胞如何發育,為解藥或標靶性療法的開發奠下良好的基石。正如它在胚胎中扮演的角色一樣,幹細胞的未來無可限量,讓我們一起期待這個領域的發展。

讀完本期文章,你應該要知道:

  1. 幹細胞的基本定義與特性

  2. 四類幹細胞的分類方式與這些幹細胞存在的時間、位置

  3. iPSC的製造過程概念與此技術的價值

  4. 幹細胞應用於臨床及基礎醫學的案例

[註1]名詞中文翻譯取自於國家教育研究院詞彙資訊網,並以網站上標示的「高中以下生命科學名詞」為準。

參考資料 [1] Yamanaka, S. (2012). Induced pluripotent stem cells: past, present, and future. Cell stem cell, 10(6), 678-684. [2] Sundberg, M., Bogetofte, H., Lawson, T., Jansson, J., Smith, G., Astradsson, A., ... & Hallett, P. (2013). Improved cell therapy protocols for Parkinson's disease based on differentiation efficiency and safety of hESC‐, hiPSC‐, and non‐human primate iPSC‐derived dopaminergic neurons. Stem cells, 31(8), 1548-1562.

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