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2019-02-01在玩轉基因之後 豬為人類帶來哪些醫學希望? 590 期

Author 作者 編輯部
豬隻與人類同為雜食動物,在營養代謝、生理功能及組織器官解剖構造,非常接近人類。除了非人靈長類外,豬隻被視為最接近人類的醫學實驗動物,過去曾提供胰島素及肝素,且長久以來提供心瓣膜、豬皮膚敷料、去細胞眼角膜及小腸基質等諸多醫藥或醫療器材,因此,豬在生物醫學及生物技術上,一直被學者視為極具基礎科學及生醫產業價值的研發對象。


前言

近年來,在生物學領域中最亮眼的進展是基因轉殖(transgenesis, Tg)、 基因編輯(gene editing, GE)、誘導型多潛能幹細胞(induced pluripotent stem cell, iPSC)以及體細胞核轉置 (somatic cell nuclear transfer, SCNT) 的複製動物(animal cloning)等技術應用。基因轉殖直接跨越基因交換物種間限制,複製動物使已分化細胞重新成為個體;過去進行基因剔除 (knockout, KO),是藉由胚胎幹細胞 (embryonic stem cell, ESC)及同質重 組反應(homologous recombination, HR),不過卻有效率低、技術門檻 高等缺點及限制。因此,若能結合上述技術的研發,將更能提升豬隻在人類醫學研究、醫藥、醫療器材及組織器官的應用潛力,以下將簡述此等技術及如何配合應用到以豬為主體的研究上,乃至涉及社會倫理議題。


基因轉殖與複製

哺乳類的精子與卵子各會攜帶一套遺傳物質,在受精後進行DNA 複製並 形成原核(pronuclei),若在受精 卵於原核複製時進行DNA 剪接修補作用,如將外源基因藉由顯微注射至原核內(圖一),即可成功產製基因轉殖動物,以出生動物為計算基礎其 成功效率可達10~20%。基因轉殖豬 在生物醫學最具研發潛力是異種器官移植,不過需克服複雜的免疫排斥反應及凝血反應,所以除基因轉殖外,還需進行基因剔除。以往的方法為將抗原進行基因剔除,培養早期豬胎體細胞進行同質基因重組,獲得免疫抗原剔除基因後,再將基因剔除的細胞核藉由體細胞核轉置到放入卵內,藉
由卵中豐富發育因子及電極激活基因 重新表現(reprogramming),產生 基因剔除複製豬。不過2011 年起, 學者開始應用基因編輯技術,能簡化
繁雜技術及提高成功率,甚至可直接使用豬受精卵進行。


圖一:豬受精卵顯微注射。將基因編輯後的DNA載體注射至原核(左),或將基因編輯後的RNA載體注射至細胞質(右),載體在受精卵階段均可轉錄成RNA及轉譯成蛋白質編輯工具。(作者提供)


幹細胞研發

身體組織器官內具有體幹細胞,可進行更新或修補,不過體幹細胞已分化,僅能再分裂及分化成該特性組織或器官。唯獨早期囊胚中的內細胞 群(inner cell mass, ICM)可分化 為身體所有組織及器官,因此,使用囊胚進行培養,使其在體外培養持續保持全能分化潛力及無限分裂特性, 即稱為胚胎幹細胞。自 1981 年小鼠 (mouse)的胚胎幹細胞被發表後, 便在基礎生物學及醫學領域被學者廣 為研究,雖然在大鼠(rat)、人類和 非人靈長類等物種陸續建立,但在豬 的建立截至目前尚未成功。2006年, 日本山中伸彌(Shinya Yamanaka) 團隊發表以最少4個轉錄因子,分別 是 Oct4、Sox2、c-Myc 及 Klf4, 使已分化體細胞恢復為具多能分化能力的誘導型多潛能幹細胞。此研究也引領甚多學者陸續發表以豬體細胞 成功建立iPSC,然而,目前僅韋斯 特(Franklin D. West)教授團隊在 2010年所發表的嵌合豬和2011年發表具性腺傳承的結果;其他學者儘管 能證實所建立的iPSC 具分化為內、 中及外胚層組織的能力,但均無法重複嵌合豬,甚至再增加其他轉錄因子也未能有所突破。不過,豬隻的初代細胞(primary cell)再經4、5個轉 錄因子誘導培養,如今已普遍可獲得 iPSC,只是在應用上仍存在許多挑戰和限制。


基因編輯豬

基因編輯技術快速發展,包括鋅指核酸酶(zinc finger nuclease, ZFN)、轉 錄活化態作用核酸酶(transcription activator-like effector nuclease, TALEN)及 CRISPR∕Cas9 等,目 前已普遍應用到不同物種,以滿足各種研究開發目的。......【更多內容請閱讀科學月刊第590期】