幹細胞的簡介(Stem cells)

幹細胞的簡介

幹細胞(Stem cells)是人體原始胚胎早期發育未分化的細胞。這種細胞在經過繁殖與分化過程中﹐能轉變成各種具有特殊功能的組織細胞。人體的組織細胞大多有一定的壽命﹐必須不停的更新﹐才能維持正常生理運作。幹細胞就是更新細胞的原祖。因此﹐幹細胞是屬於一群尚未完全分化的原始細胞﹐它們具有再生成各種組織器官的潛在功能。

幹細胞的來源有二﹕一種來自胚胎幹細胞﹐另一類是體幹細胞。胚胎幹細胞的取得需要破壞胚胎﹐因此很多人認為這種研究有道德上的瑕疵。體幹細胞來自個人的骨髓﹑臍帶血或脂肪組織﹐也就是利用自己的體幹細胞﹐來修補受損的組織﹐這是天經地義的事情。事實上在當下幹細胞的治療中﹐仍是以移植體幹細胞為主。目前技術仍無法掌控胚胎幹細胞在人體內的分化﹐移入宿主體內的胚胎幹細胞﹐甚至有變成癌細胞的可能。因此﹐胚胎幹細胞的移植﹐還是有許多挑戰要克服。

胚胎幹細胞是由受精卵細胞發展出來的。當受精卵成長約四天之後﹐細胞團的外觀與形態開始變化﹐形成一個類似中空的球體﹐稱為囊胚(Blastocyst)。囊胚外層的細胞會持續發展成胎盤與臍帶﹐為供養嬰兒發育的組織﹔囊胚中空的內層細胞﹐則將來是嬰兒發展成各種組織與器官的細胞來源。

由於內層細胞無法形成胎盤與臍帶﹐因此﹐若將內層的細胞植入子宮﹐是不會形成嬰兒的。不過這類細胞在分化過程中﹐可以逐漸發育成為人體的各種組織與器官﹐即所謂全能幹細胞(Totipotent stem cells)。全能幹細胞能繼續發展成複功能的幹細胞(Pluripotent stem cells)﹐進而分化成人體各種不同形態的組織與器官。

體幹細胞是指存在嬰兒及成人身上極少數的多潛能幹細胞(Multipotent stem cells)﹐這些幹細胞只有在某些特殊條件下﹐才能分化成有限的幾種組織。其分化潛能相對地比胚胎幹細胞要差得很多。儘管如此﹐多潛能性的幹細胞仍舊可以分化出特殊功能的幹細胞(Committed stem cells)﹐如血液幹細胞﹑皮膚幹細胞﹑神經幹細胞﹑消化器官幹細胞等﹐這些都是更新各種組織﹐所必須的母細胞。

總之﹐全能幹細胞(Totipotent stem cells)可以繼續自我複製﹐或者分化成複功能幹細胞(Pluripotent stem cells)。複功能幹細胞可以繼續自我複製﹐或者分化成多潛能幹細胞(Multipotent stem cells)。多潛能幹細胞可以繼續自我複製﹐或者分化成特殊功能幹細胞(Committed stem cells)。特殊功能幹細胞可以繼續自我複製﹐或者分化成各種組織的幹細胞﹐如造血幹細胞等。造血幹細胞可以繼續自我複製﹐或者分化成血液系統中的各種細胞。分化過程是一條單行道﹐正常情形下﹐已分化的細胞是無法還原成原始的母細胞。唯一例外的情形﹐就是癌細胞的形成。研究發現癌幹细胞擁有﹕去分化(Dedifferentiation)﹑逆分化(Retrodifferentiation)﹑轉分化(Transfer differentiation)等的潛在能力。欲了解詳情﹐請參閱癌症的簡介一文。

幹細胞的輩份如下﹕全能幹細胞(Totipotent stem cells)->複功能幹細胞(Pluripotent stem cells)->多潛能幹細胞(Multipotent stem cells)->特殊功能幹細胞(Committed stem cells)。

造血幹細胞的族譜如下﹕
造血幹細胞(Hematopoietic Stem Cell)->淋巴球同源祖細胞(Common Lymphoid Progenitor)+骨髓球同源祖細胞(Common Myeloid Progenitor)。

淋巴球同源祖細胞->B淋巴細胞(Bone Marrow-derived Lymphocyte)+T淋巴細胞(Thymus-derived Lymphocyte)+自然殺手細胞(Natural killer Cell)。

骨髓球同源祖細胞->顆粒/巨噬母細胞(Gran/Mac Progenitor)+紅血球/血小板母細胞(Erythro/Plt Progenitor)。

顆粒/巨噬母細胞->單核球(Monocyte)/巨噬細胞(Macrophage)+嗜酸性(Eosinophil)白血球+嗜鹼性(Basophil)白血球+嗜中性(Neutrophil)白血球。

紅血球/血小板母細胞->紅血球(Red Blood Cell)+巨核細胞(Megakaryocyte)破碎成血小板(Platelet)。


當癌變發生在造血幹細胞，或者祖細胞層次的話，通常是屬於急性的白血病，病情發展快速且嚴重。如果癌變發生在成熟的淋巴細胞，例如B淋巴細胞癌變的話，病情比較緩和，患者可以和癌症共存很久，這就是慢性淋巴性白血病(Chronic lymphocytic leukemia﹐簡稱CLL)﹐CLL是成熟的淋巴細胞所產生癌變，例如B淋巴球無法自動凋亡等。因此，癌變發生在細胞的輩份上，至關重要。癌變若在原始的幹(母)細胞上，其破壞力強。如果癌變發生在高度分化的細胞，或者已經分化完成的細胞上，一般而言，病情比較溫和，預後良好。

在胚胎形態形成過程中﹐全能幹細胞可以分化成完全功能不同的細胞﹐也就是說﹐一個受精卵細胞分化出各種不同類型的細胞﹐包括神經細胞、肌肉細胞、上皮細胞、血管內皮細胞等﹐並通過抑制其他細胞和激活相關基因﹐而進行持續性的細胞分裂。因此﹐全能幹細胞算是分化成胚胎與胚胎外器官(臍帶﹑胎盤等)最原始的母(幹)細胞。複功能幹細胞可分化成三種胚層的所有細胞。多潛能幹細胞可以分化成親緣接近的細胞。特殊功能幹細胞只能分化成單一種類的細胞﹐也稱為單能幹細胞(Unipotent stem cells)。

一般分化完成的體細胞中﹐幾乎可高達70％至80％的DNA甲基化(DNA Methylation)﹐但甲基化在早期發育的胚胎細胞中﹐大約只有20％左右。可能在細胞分化的過程﹐DNA甲基化不停地被提升﹐導致在分化完成的細胞中﹐逐漸喪失再生各種組織器官的潛在功能。有關DNA甲基化的資料﹐請參閱癌症的簡介一文。

相關研究已證實﹐mRNA甲基化(Methylation)對人體內能量平衡﹐發揮著至關重要的作用。DNA甲基化(Methylation)是以生化方式﹐來操控DNA性能的開啟或關閉。因此﹐控制一般細胞生長、分化、老化、凋亡等的關鍵﹐全都涵蓋在表徵遺傳學/外遺傳學(Epigenetic)的相關領域中。目前有許多科學家想要找出細胞去分化(Dedifferentiation)和逆分化(Retrodifferentiation)的奧妙，使得已經分化的細胞﹐停止繼續分化﹐成為具有未分化細胞的特性﹐這樣一來可以增加幹細胞的來源與數量。

就以造血液幹細胞為例﹐這種專一的幹細胞存在骨髓﹑嬰兒臍帶血或週邊的血液中。它的功能就是不斷地為人體﹐提供新的血液細胞。甚至能再生出整個循環系統﹐所需要的紅血球﹑白血球﹑淋巴球與血小板等。一旦喪失了這些幹細胞﹐人體在短時期中就會死亡。

此外﹐造血液幹細胞還可用來﹐治療許多血液、腫瘤、先天代謝異常或者免疫缺陷等疾病。尤其在治療癌症中﹐當醫生使用抗癌藥物或放射線療法時，雖然可以殺死癌細胞，但也能重創病人正常的骨髓幹細胞。若能將病人預留健康的幹細胞﹐重新移入回病人身上，不僅可以幫助病人再生新的血液﹐甚至還可以修復病患受損的免疫系統。這樣才能徹底恢復病人﹐因治療時﹐對造血組織的傷害。

幹細胞的來源雖然不同﹐但在實驗室中均能培養出人體某些組織的特定細胞﹐這對許多疾病未來的治療上﹐會有突破性的貢獻﹐尤其是能運用在﹐對老人癡呆症(Alzheimer's disease)﹑帕金森病(Parkinson's disease)﹑白血症(Leukemia)﹑脊椎受傷﹑皮膚燙傷﹑中風﹑心臟血管疾病﹑黃斑病變﹑糖尿病﹐以及某些自體免疫等疾病的治療上﹐特別有效。

至於就利用複功能的幹細胞﹐來培養組織細胞時﹐必須要犧牲一個人體胚胎﹐容易引起許多宗教與法律上的爭議。對此爭議科學家﹐也已經有了解決的新技術﹐即將體細胞的細胞核﹐移植入去核卵子中﹐這種細胞融合物中﹐含有某些特殊的物質﹐能讓已完成分化的體細胞核﹐發生逆向分化﹐使之返老還童般地﹐重新恢復複功能幹細胞的特性。此外﹐目前科學家正在努力尋找﹐控制細胞分化的基因所在。一旦發現其中奧密的話﹐許多人體損壞的組織或器官﹐就能像汽車零件一般加以更換﹐屆時人類追求長生不老的夢想﹐就可以實踐了。

2012年諾貝爾生理與醫學獎得主﹐已經成功地研究出一種﹐讓體細胞反向(逆)分化的方法﹐也就是能將普通細胞返老還童﹐重新回到具有複功能幹細胞的程度。這種突破意味著﹐人類將來可以用自己的細胞﹐更換老化或受損的組織﹐但願這個夢想能在未來的歲月中﹐逐步被實踐﹐並且祝福這一套技術﹐能快速運用在﹐許多目前仍是絕症的治療上﹐造福全人類。如果有興趣想知道細胞如何逆分化﹐不妨參考：
https://ejournal.stpi.narl.org.tw/sd/download?source=10207-07.pdf&vlId=9A30426D-8A4C-4190-B1F2-83CA2C3809BD&nd=1&ds=1

幹細胞的移植

目前在幹細胞的治療中﹐是以醫治與血液有關癌症或疾病為主﹐其中又以骨髓移植最為常見。骨髓捐贈者的骨髓中﹐最有價值的就是骨髓幹細胞﹐又稱造血幹細胞。此細胞所佔的比例不到全部骨髓細胞的十萬之一。除了骨髓之外﹐移植幹細胞的來源﹐還有臍帶血或週邊血液。來源不同的幹細胞在移植中﹐各有各的優缺點。移植幹細胞可以來自本身﹐同卵雙生的攣生兄弟或姐妹﹐甚至第三者的陌生人。

如果是由第三者所捐贈的話﹐就需要進行骨髓配對。這種配對﹐就是對人類淋巴球細胞膜表面抗原(Human Leukocyte Antigen﹐HLA)﹐又稱為主要組織相容性複體分子(Major Histocompatibility Complex﹐MHC)進行一系列的篩選。通常要針對人類淋巴球抗原的六類抗原單體(Haplotype)進行配對﹐這六類抗原單體要統統符合﹐也就是捐贈者與接受者對彼此HLA抗原單體﹐不會產生抗體與排斥作用﹐才能進行骨髓移植。

這六類抗原單體分別是﹕HLA-A﹐HLA-B﹐HLA-C﹐HLA-DP﹐HLA-DQ與HLA-DR。每類抗原單體可能包括一個或多個基因﹐譬如HLA-DR是由HLA-DR1﹐...﹐HLA-DR16﹐在染色體上﹐不同位置的血清抗原基因﹐所組成的單體。因此﹐能成功找到完全配對的機率超過百萬分之一﹐與中樂透獎的機會差不多。

胚胎臍帶血只需要四點符合﹐就可以用來移植。原因是嬰兒時期﹐人體免疫系統尚未成熟﹐受到病人排斥的機會比較小。因此﹐許多醫院都鼓勵孕婦在生產之後﹐捐贈或儲存臍帶血。但臍帶血幹細胞的數目﹐經常不夠多﹐接受移植者需要較長的復原時間﹐同時容易受到其他疾病的感染﹐此外﹐目前臍帶血基因庫規模﹐遠遠比不上骨髓基因庫。臍帶血幹細胞移植﹐大多使用其他捐贈者的臍帶血﹐而非自己儲存的﹐原因是自己的臍帶血幹細胞﹐可能已攜帶了同樣有缺陷的基因。臍帶血保存的費用﹐與臍帶血幹細胞移植時﹐需要相當數量的臍帶血﹐這兩種花費都是非常驚人。

至於週邊血液幹細胞的採用﹐捐贈者需要事先注射顆粒球聚落刺激因子(Granulocyte colony-stimulating factor﹐GCSF)﹐以提高血液中幹細胞的數目﹐以便篩選出造血幹細胞﹐進行幹細胞移植。週邊血液幹細胞移植成本高而費時間﹐不適合急性病患者。

三種不同來源幹細胞的移植各有優劣﹐取決之間主要是由客觀形式﹑病人疾病與健康的狀態來決定。

目前最大的骨髓捐贈庫屬於美國國家骨髓捐贈者計劃(National Marrow Donor Program﹐NMDP)的資料庫﹐也是所有需要骨髓移植病人﹐第一個尋求骨髓配對吻合的地方﹐其網站為﹕http://www.marrow.org/。萬一移植骨髓有血型或HLA抗原不完全吻合的情形，移植結果通常會引起接受移植者的排斥作用(Graft rejection)、宿主抗移植物反應(Host-vs.-graft reaction)及移植物抗宿主反應(Graft-vs.-host reaction)。因此﹐在進行血型不符合的骨髓移植時﹐先要將紅血球完全濾清。在造血幹細胞的移植進行之前﹐接受者要徹底毀壞本身的造血機能。

當捐贈者的造血幹細胞開始成功的繁殖時﹐捐贈者的血型就會慢慢地變成接受者的血型。換句話說﹐接受者的血型在造血幹細胞的移植中﹐有可能會逐漸取代原來的血型。如果擔心會引起(Graft-vs-host disease﹐GVHD)移植物抗宿主疾病時﹐要儘量將骨髓移植液中T淋巴球數目儘量減低。等一切處理完畢之後﹐才可以將骨髓移植液﹐由靜脈輸入病人的血液。一旦輸入的骨髓幹細胞找到適當的地點﹐便可繁殖成具有特定分化功能的細胞﹐稱為定向血原細胞(Committed progenitors)。這些細胞可以重新繁殖﹑發育與分化成各種不同的血球細胞﹐協助病人﹐恢復本身的免疫系統。

如果曾經有過不同血型幹細胞的移植﹐在接受輸血之前﹐移植病患要特別提醒醫護人員。因為其紅血球﹑血型及血漿分型等﹐與捐贈者一致之前﹐會有一段過渡時期﹐冒然輸血﹐可能會出現某些意外排斥的情形﹐需要特別小心。

不要小看幹細胞﹐單單一個幹細胞就有能力﹐完全再生出人體血液系統所需全部的細胞。在復原的時期中﹐按照需要﹐病人通常要服用抗排斥的藥物﹐這段時期非常容易受到疾病感染﹐因此要格外小心預防傳染。醫生會觀察病人血中白血球與血小板的數目﹐以確定病人恢復的程度。

目前由幹細胞對心臟損壞細胞的修補研究中﹐發現某些幹細胞﹐如心臟幹細胞(Heart stem cell)﹑間質幹細胞(Mesenchymal stem cell)或單核幹細胞(Mononuclear stem cell)等﹐注入人體後﹐的確會向受損的組織移動﹐並擔負起修補壞死組織的任務。這讓幹細胞在未來疾病的治療或再生醫學研究上﹐提供了很大的激勵作用。

幹細胞與癌細胞

正常人體細胞﹐基於需要會分裂﹑生長﹑分化與死亡﹐這種有規律的細胞行徑﹐是每個健康細胞必經之路。但是有某些細胞會在沒有需求的情況下﹐分裂與生長﹐不僅不會分化﹐反而可以長生不老﹐這就是腫瘤(Tumor)細胞。

研究發現，細胞核中有一種特殊的反轉錄脢，可藉此脢合成新的端粒(Telomere)﹐而修補受損的DNA端粒，這就是端粒脢(Telomerase)。端粒脢是一種RNA與蛋白的複合體，它能以自身RNA為模板﹐合成端粒的重復序列“TTAGGG”，得以維持端粒的特定長度，使細胞持續不停的分裂與繁殖。端粒脢的活性不會表現於正常的體細胞﹐只會表現在某些特殊的細胞﹐如幹細胞與癌細胞中。詳細資料請參閱老化一文。

http://jiajiahealth.blogspot.com/2009/02/aging.html

此外﹐許多癌細胞在組織形態學上﹐都屬於分化不全或未分化的細胞﹐這也提高了癌細胞與幹細胞的相似性。

幹細胞與癌細胞都屬於不斷分裂的細胞。因此幹細胞發生基因的變異機會﹐要比普通組織細胞高出很多。正常器官中的幹細胞有兩種特性﹕

(1)對稱分裂﹐不停地自我複製(Self-renewal)﹐但這種時間很短﹐而且受到限制﹐因而使得幹細胞的數目﹐在器官中極為稀少。

(2)不對稱分裂﹐將保有分化成不同組織能力的幹細胞﹐根據身體的需要﹐轉變成不同形態與功能的細胞﹐這就是所謂的定向(Commit)分化。

癌幹細胞與體幹細胞類似，也具有自我更新的特性﹐但其後代完全不受身體的控制﹐不懂也不會定向分化。

科學家發現﹐當人體的癌細胞移植到其他免疫不全的動物身體中﹐竟能成功地讓寄主產生出癌組織。究竟是什么樣的細胞﹐才具有此活力﹖目前雖然無法明確證實﹐但很多懷疑都指向癌幹細胞。

所謂癌幹細胞就是發生癌變的幹細胞。科學家發現老鼠的胃﹐經由幽門螺旋桿菌(Helicobacter pylori)感染後﹐能造成潰瘍。在傷口附近會有許多修補潰瘍組織的幹細胞出現﹐除了幹細胞之外﹐還有許多免疫細胞也會聚集過來﹐譬如巨噬細胞接觸到異物時﹐會自動釋放出腫瘤壞死因子(Tumor Necrosis Factor-α﹐TNF-α)﹐以撲殺入侵外物或受感染的細胞。一連串的發炎反應﹐與其副產物﹐如組織胺(Histamine)﹑分解酵素(Lysozyme)﹑干擾素(Interferon)﹑補體(Complements)等的產生﹐全因TNF-α的出現﹐而相繼被誘導出來，甚至刺激細胞激素(Cytokines)﹑前列腺素(Prostaglandins)等之合成﹐如果幹細胞受到上述物質的長期刺激﹐本身就可能會發生遺傳或生理上的變異﹐進而形成癌幹細胞﹐最後成長為腫瘤。但是也有部份科學家懷疑﹐癌幹細胞是由變異的體細胞﹐在某種特殊情況下﹐經過逆分化﹐而重新轉變成癌幹細胞。

癌幹細胞也就是﹐幹細胞在長期修復損壞組織的過程中﹐被過度的活化﹐而發生失控的狀態。因此﹐體內組織或器官的慢性發炎﹐常被科學界懷疑是誘導癌症的溫床。

幹細胞有一種自我更新的特性﹐也就是細胞分裂之後﹐至少有一個子細胞﹐能繼承母細胞未分化的能力﹐而長生不老﹐不斷地分裂。在某種角度來看﹐的確與癌細胞很類似。

其次是幹細胞具有分化成不同類組織細胞的能力。如果受到某些外來或內在特殊因素的影響﹐很可能會在分化的過程中﹐出現差錯或拒絕分化﹐進而導致完全失控。目前癌症研究已經發現﹐某些癌幹细胞擁有﹕去分化(Dedifferentiation)﹑逆分化(Retrodifferentiation)﹑轉分化(Transfer differentiation)等的潛在能力。

因此﹐有一部份科學家主張治療癌症的方法﹐並非要著重在殺死所有的癌細胞﹐而是要專注在消滅那些﹐會形成癌細胞的癌幹細胞(癌母細胞)上。癌細胞抗藥性的增強與轉移性的提高﹐均與癌母細胞的存在有關。如果治療不能徹底清除掉這些癌母細胞﹐癌症復發的機會是相當高的。有關癌症與幹細胞的資料﹐請參閱癌症的簡介一文。

科學家成功地將人類的血癌細胞植入﹐免疫不全老鼠的骨髓中﹐發現唯一能在老鼠骨髓中生長與繁殖的細胞﹐就是血癌幹細胞。此結論主要是來自﹐分析與鑒定新生細胞膜上存在的特殊蛋白質。總之﹐癌幹细胞的体外複製(Clonogenicity)能力極強﹐可以生存在被除去免疫力的其他動物體內。

此外﹐在許多鑒定乳癌與腦癌細胞膜特殊蛋白質的過程中﹐也隱隱約約看到幹細胞的身影。因此﹐幹細胞在生長與繁殖的過程中﹐若累積夠長的時間﹐就會大大提高癌變的機會。

但是癌症的起源﹐也可能來自已經分化的細胞。在對斑馬魚黑色素瘤的實驗中發現﹐只要一個變異體細胞回復到幹細胞的狀態﹐並開始分裂﹐就會變成癌瘤。因此﹐癌變並非絕對發生在﹐尚未分化完成的幹细胞中。

雖然幹細胞與癌細胞有某些相似性﹐但癌細胞在抗藥性與抗放射性治療上﹐則比幹細胞更勝一籌。許多研究發現﹐癌細胞具有分子泵浦(Molecular pump)﹐能將治療癌症藥物﹐從細胞內抽出﹐大大降低藥物的效力。同時它們能潛伏一段時間﹐躲過治療期的追殺﹐等情勢好轉之後﹐再度坐大。這就是癌症經常在治療後﹐仍會復發的原因。同樣的癌症療法﹐如果再次使用在同一病人身上﹐其效果會大打折扣。總之﹐癌細胞有很強的抗藥性與抗放射線治療的能力。這也是為什麼﹐要完全根除體內癌細胞﹐困難重重的原因。好在目前生化醫學方面的研究﹐也逐漸重視癌幹細胞(癌母細胞)﹐會大量製造抗細胞凋零蛋白﹐與胚胎幹細胞調控蛋白的現象。如果能抑制或阻斷癌母細胞的這種能力﹐或許能找出癌細胞轉移性﹑抗藥性與抗放射線治療的原因。

自體脂肪幹細胞(Adipose- Derived Stem Cell，ADSC)，屬於人體間質幹細胞(Mesenchymal Stem Cell，MSC)的一種，富含多潛能幹細胞(Multipotent stem cell)，簡稱脂肪幹細胞，脂肪幹細胞具有極高可塑性，能分化成軟骨、肌肉、神經及皮膚等各種器官與組織，具有修復組織與再生的功能，在醫療應用上潛力無限。

下列是有關幹細胞資訊的網站﹕
http://stemcells.nih.gov
http://stemcells.com
https://www.youtube.com/watch?v=jF2iXpoG5j8
http://www.pbs.org/wgbh/nova/sciencenow/3209/04.html