|
重點提要
■誘導多能性幹細胞（iPS細胞）是改變身分的成熟體細胞，它們無需卵細胞或者胚胎的幫助，就能回復成類似胚胎幹細胞的狀態。
■將正常體細胞轉形為iPS幹細胞，接著轉化成人類220種細胞之一，有可能成為治療疾病的新方法，也可能用來訂做並取代損壞的組織。
■科學家現在正試圖了解iPS幹細胞如何逆轉生物時鐘，以及這種細胞是否如同胚胎細胞一樣多能。
我還記得2006年冬天的那一個早晨，那時我用實驗室的顯微鏡觀察細胞，突然發現有一團細胞看起來就像胚胎幹細胞一樣，當時的興奮我現在還記得。這些細胞在培養皿裡分裂繁殖將近三個星期，形成一個小小的群落，還閃耀著科學家用來辨識胚胎幹細胞「多能性」（pluripotency）的螢光訊號（多能性指的是能夠成為身體任何組織的能力）。但是我當時觀察的細胞並不是來自胚胎，它們是一般的成年小鼠細胞，只是因為加入了幾個基因，因而返老還童。
讓任何哺乳動物細胞的內在時鐘逆轉，回到胚胎階段，真的如此簡單嗎？當時我並不是唯一懷疑的人。日本京都大學的山中伸彌（Shinya Yamanaka）與同事剛在2006年8月發表一個重大突破的研究，提出利用小鼠皮膚細胞製造他們稱之為「誘導多能性幹細胞」（簡稱iPS細胞）的方法。多年來，研究人員一直努力了解調控胚胎幹細胞生成特定組織的方式，因為這具有巨大的潛能，可供醫學與研究使用，卻引發使用胚胎細胞在政治與道德上的爭議，還得面對先前「人類胚胎幹細胞造假風波」帶來的科學挫敗與幻滅。因此一開始，研究幹細胞的科學家對日本團隊的成果感到驚訝，也有點懷疑。但是就在那個早晨，我在實驗室裡觀察到第一手的結果，也驗證了山中伸彌的方法。
其他科學家也重現了山中伸彌的成果，過去幾年來，製造與測試iPS細胞的技術進展快速。現今全世界有數千名科學家正在開發iPS細胞的潛力，希望有助於了解並治療目前人類束手無策的疾病，例如第一型糖尿病、阿茲海默症和帕金森氏症。單純將幾個特定的基因送進細胞，就會改變細胞特性的可能性，也改變了科學家思考人類發育的方式。
有史以來，人類一直夢想找到躲避衰老與疾病的「青春之泉」，而讓成年體細胞回到胚胎階段的能力，顯然是最接近幻想成真的時刻。當然，這些技術仍在發展階段，在回答iPS細胞是否將會改變醫學，或證實它們與備受爭議的胚胎幹細胞能力相當之前，得先考量很多重要的問題。
原始的細胞、多變的力量
想要了解iPS細胞激起的希望，必須先認識胚胎的特別之處。目前的iPS細胞研究非常依賴30年來胚胎細胞研究發展出的技術與概念，尤其是多能性的現象。哺乳動物的發育通常像單行道一樣，細胞隨著時間會變得越來越特別，功能也越來越窄，這個過程就是「分化」。只有在胚胎發育非常早期的一小段時間裡，胚胎裡的所有細胞才具備成為人體220種細胞的能力。將這些細胞取出並培養增殖，就可以得到胚胎幹細胞。真正的胚胎幹細胞會持續保有製造任何類型組織的能力，因此定義為「多能性」。
在胚胎發育後期，幹細胞就已經特化，只能成為特定幾種類型的細胞（例如存在肌肉和骨骼內的細胞），這些細胞具有的是「多效性」（multipotent），而不再是多能性。成體中，這些僅存的前驅細胞（成人幹細胞）則負責補充組織裡的成熟細胞。舉例來說，血液幹細胞持續製造12種不同的血球與免疫細胞，而每隔幾個星期，人類的皮膚幹細胞會重新製造皮膚與毛髮。
對哺乳動物而言，在正常情況下並不會發生細胞的「去分化」（也就是回到較原始的型態）。事實上，癌細胞是唯一的例外，它們分化的程度會比其來源的組織低。不幸的是有些癌細胞也能持續分裂，展現出類似多能性細胞的不死特性。
到目前為止，科學家讓正常成體細胞逆轉發育時鐘的唯一方法，是經由精巧的操縱程序，誘導細胞表現得像是胚胎細胞，這個程序稱為細胞的「重設程式」（reprogramming）。最早用來重設程式的方法是「體細胞核轉移」（又稱為「複製」），這是將成體細胞的遺傳物質注入已移除DNA的卵細胞。這個DNA–卵細胞的嵌合體會發育成早期胚胎，從中可以分離出多能性幹細胞。
自從1997年複製羊桃麗誕生、1998年首次分離出人類胚胎幹細胞以來，核轉移技術就受到許多關注，認為可能用來生產與訂做多能性幹細胞，取代因受傷或疾病而損壞的組織，不過當時對於卵細胞裡讓成體遺傳物質返老還童的因子，完全不清楚。研究人員發現，即使在染色體末端保護染色體不隨著年老而缺損的端粒，也恢復到年輕的狀態。不過雖然在動物研究上有進展，利用「複製」來製造人類胚胎幹細胞的企圖，始終沒有成功。
山中伸彌團隊採取嶄新的策略來突破僵局，他們將成體細胞直接轉形成多能性細胞，不需利用卵細胞或者胚胎。有別於將成體細胞的遺傳物質注入卵細胞，他們推論，將通常只在胚胎活化的基因注入成體細胞，可能就足夠將細胞重設為近似胚胎的狀態。他們第一步就是找出在多能性細胞活躍、但是在成體細胞緘默的基因，接著以反轉錄病毒做為載體，把找到的24個不同基因送進皮膚細胞。就像變魔術一樣，皮膚細胞被重設為多能性細胞！山中伸彌進一步研究後發現，事實上只要有四個基因——Oct4, Sox2, Klf4和c-Myc，就足以製造iPS細胞。
隨著數個實驗室（包括我的）各自成功重現研究成果，這個魔術成了生物學的事實。目前約有來自四個物種（小鼠、人類、大鼠和猴子）、共10幾種不同的成體細胞，已經成功重設成iPS細胞，我們確信還會有更多的例子。幹細胞研究人員對於iPS細胞感到震撼，因為他們可以免於複雜的複製技術，還有人類胚胎研究中大部份的道德與法律限制。然而，這個新型的多能性細胞並非毫無問題。現今科學家探索iPS細胞的真正面貌和它們的潛能時，品質控管與安全性也是研究的焦點。
【完整內容請見《科學人》2010年第100期6月號】
|
