- 封面故事
- 2014年
- 529期－再生醫學（1月號）
文章專區
2014-01-01多能性幹細胞
529 期
Author 作者
陳彥榮／任教台灣大學生化科技學系。
我們從一顆受精卵細胞，經過不斷的細胞分裂與細胞分化後，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，幹細胞（stem cell）則扮演著重要的功能。在發育過程中，胚胎時期各式各樣的幹細胞扮演著器官形成的重要使命；在受損的器官臟器中，成體內的幹細胞則負責修復與進行代謝。由於這些幹細胞具備分化與細胞複製的能力，也成為再生醫學領域最被期待的細胞來源。
什麼是幹細胞？
身體內的大部分組成，往往都是已經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決定，不會再轉變為其他細胞，這樣的細胞通稱為「體細胞」（somatic cell）。
幹細胞則是和這些已經分化完成的體細胞有顯著的差異性。幹細胞是一群具備有「分化能力」（differentiation）的細胞，可以在身體內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，幹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，在分化之後，幾乎不再進行細胞分裂，停止細胞增生。然而，幹細胞負擔起發育與組織修補的功能，如果不具備自我增生能力，則便無法產生足量的細胞，來執行發育與修補的功能。
當幹細胞進行細胞分裂，將由一個細胞變為兩個細胞的當下，幹細胞會接受指令；身體需要大量細胞補充功能時，幹細胞會由一個幹細胞分化成兩個下游細胞（分化）。當幹細胞需要補充時，也會由一個幹細胞變成兩個幹細胞（自我更新）。也有許多幹細胞會進行所謂的「不對稱分裂」，分裂後的細胞，一個是原本的幹細胞，一個則是欲分化的細胞。
圖一：幹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。
幹細胞的數量往往需要精準的恆定，例如控制毛囊裡黑色素的幹細胞，如果不斷的走向「分化」，沒有即時的自我更新複製，當用完了這樣的黑色素幹細胞後，黑髮就會慢慢變成白髮。
幹細胞的能力
幹細胞依照發育時期，常聽到的主要可分為兩大類：發育時期中的幹細胞與成體幹細胞（adult stem cells）。胚胎幹細胞（embryonic stem cells）即屬於發育時期中的幹細胞，其來自於動物或是人體發育胚胎中具有多能性分化能力之幹細胞，具備能分化成各式各樣組織器官細胞的能力。在成體中，成體幹細胞則存在於各個發育成熟的組織器官中，通常為該組織之前驅細胞。到目前為止，相關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幹細胞。
幹細胞具備有分化能力，但是會有所不同。在胚胎發育早期，受精卵分裂發育成為八個細胞的階段，此時每一顆細胞分開後，均可以發育形成一個完整個體。這樣的幹細胞我們稱之為「全能性幹細胞」（totipotent）。另外，像是「多能性幹細胞」（pluripotent）則是可以分化成身體內的各式各樣細胞，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幹細胞或是造血幹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「多潛能幹細胞」（multipotent）。隨著不同分化層階，越後段的幹細胞，分化的能力也越有限。
圖二：幹細胞的分化潛能。幹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幹細胞到下游分化能力有所侷限的幹細胞。
在正常的發育過程中，往往下游低分化能力幹細胞無法回溯至上游多潛能幹細胞。（作者提供）人類胚胎幹細胞
由於胚胎幹細胞相較於成體幹細胞，更能達到分化為各式各樣細胞的能力，在醫療應用上也被期待（圖三）。在1998年，美國詹姆士．湯姆森（James Thomson）團隊利用不孕症治療手術所剩餘的胚胎細胞，自已分裂成原始囊胚體（blastocyst）之內部細胞加以分離培養，成功的得到五個細胞株。此五個細胞株具有胚胎幹細胞表面標記外，亦可進行分化，形成滋養層細胞以及外胚層、中胚層和內胚層等三個胚層組織，成為第一個人類胚胎幹細胞株（human embryonic stem cells）。
圖三：人類胚胎幹細胞集叢。胚胎幹細胞源自囊胚內部細胞，屬多能幹細胞。
雖然人類胚胎幹細胞技術已被發展成功，但此技術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。雖然現今在美國進行人類幹細胞之研究，已經不受以往的禁令約束，但是在美國或是其他國家，對於人類胚胎幹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，在醫療臨床應用或是研究上，人類胚胎幹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於，現在的胚胎幹細胞株並非來自於患者本身，用於治療時，無法迴避患者本身免疫系統之攻擊與排斥。……【更多內容請閱讀科學月刊第529期】