器官移植最大的问题来自于捐赠者不足以及道德争议，若能获得一个有效充足又安全的细胞来源，将可大幅推进再生医学的进度与普及。
作者：陈彦荣（任教台湾大学生化科技学系）
我们从一颗受精卵细胞，经过不断的细胞分裂与细胞分化后，最终成为一个个体。 然而，在人体不断新陈代谢的过程下，有些细胞会老化与凋亡，这时候则需要由新形成的细胞来做替换，以替补维持原本的器官与组织功能。 这样的过程，干细胞（stem cell）则扮演着重要的功能。 在发育过程中，胚胎时期各式各样的干细胞扮演着器官形成的重要使命；在受损的器官脏器中，成体内的干细胞则负责修复与进行代谢。 由于这些干细胞具备分化与细胞复制的能力，也成为再生医学领域最被期待的细胞来源。
什么是干细胞？
身体内的大部分组成，往往都是已经成熟分化完全的细胞，例如皮肤细胞、肝脏细胞，或是口腔细胞。 这些细胞的特性，在没有任何的外力刺激或是突变下，通常被认为细胞的命运已经决定，不会再转变为其他细胞，这样的细胞通称为「体细胞」（somatic cell）。
干细胞则是和这些已经分化完成的体细胞有显著的差异性。 干细胞是一群具备??有「分化能力」（differentiation）的细胞，可以在身体内受到各式各样的刺激，来改变细胞命运，分化成特定的细胞。
除此之外，干细胞也具备良好的增生能力，可以进行自我更新（self-renewal）。 一般的体细胞，在分化之后，几乎不再进行细胞分裂，停止细胞增生。 然而，干细胞负担起发育与组织修补的功能，如果不具备自我增生能力，则便无法产生足量的细胞，来执行发育与修补的功能。
当干细胞进行细胞分裂，将由一个细胞变为两个细胞的当下，干细胞会接受指令；身体需要大量细胞补充功能时，干细胞会由一个干细胞分化成两个下游细胞（分化）。 当干细胞需要补充时，也会由一个干细胞变成两个干细胞（自我更新）。 也有许多干细胞会进行所谓的「不对称分裂」，分裂后的细胞，一个是原本的干细胞，一个则是欲分化的细胞。
图一：干细胞具备自我更新能力，可以不断的增生。
同时，也具备分化下游细胞的能力。
干细胞的数量往往需要精准的恒定，例如控制毛囊里黑色素的干细胞，如果不断的走向「分化」，没有即时的自我更新复制，当用完了这样的黑色素干细胞后，黑发就会慢慢变成白发。
干细胞的能力
干细胞依照发育时期，常听到的主要可分为两大类：发育时期中的干细胞与成体干细胞（adult stem cells）。 胚胎干细胞（embryonic stem cells）即属于发育时期中的干细胞，其来自于动物或是人体发育胚胎中具有多能性分化能力之干细胞，具备能分化成各式各样组织器官细胞的能力。 在成体中，成体干细胞则存在于各个发育成熟的组织器官中，通常为该组织之前驱细胞。 到目前为止，相关文献上已记录了从骨髓、肠道、皮肤、肝脏等器官之案例，这些组织均能分离出此类未分化而具有分化能力的成体干细胞。
干细胞具备有分化能力，但是会有所不同。 在胚胎发育早期，受精卵分裂发育成为八个细胞的阶段，此时每一颗细胞分开后，均可以发育形成一个完整个体。 这样的干细胞我们称之为「全能性干细胞」（totipotent）。 另外，像是「多能性干细胞」（pluripotent）则是可以分化成身体内的各式各样细胞，但是没有办法单一颗细胞就形成个体。 目前，有一些从骨髓取出的间叶型干细胞或是造血干细胞则可以分化成多种形式的细胞，但其分化能力较有限，某些细胞没有办法进行分化，这类的细胞我们称为「多潜能干细胞」（multipotent）。 随着不同分化层阶，越后段的干细胞，分化的能力也越有限。
图二：干细胞的分化潜能。 干细胞具有不同层级能力的分化潜
能，从可以形成完整个体的全能干细胞到下游分化能力有所局
限的干细胞。 在正常的发育过程中，往往下游低分化能力干细
胞无法回溯至上游多潜能干细胞。 （作者提供）
人类胚胎干细胞
由于胚胎干细胞相较于成??体干细胞，更能达??到分化为各式各样细胞的能力，在医疗应用上也被期待（图三）。 在1998 年，美国詹姆士． 汤姆森（James Thomson）团队利用不孕症治疗手术所剩余的胚胎细胞，自已分裂成原始囊胚体（blastocyst）之内部细胞加以分离培养，成功的得到五个细胞株。 此五个细胞株具有胚胎干细胞表面标记外，亦可进行分化，形成滋养层细胞以及外胚层、中胚层和内胚层等三个胚层组织，成为第一个人类胚胎干细胞株（human embryonic stem cells） 。
图三：人类胚胎干细胞集丛。 胚胎干细
胞源自囊胚内部细胞，属多能干细胞。
虽然人类胚胎干细胞技术已被发展成功，但此技术牵涉到人类胚胎之取得与利用，所引起之伦理争议引起大众的忧虑。 虽然现今在美国进行人类干细胞之研究，已经不受以往的禁令约束，但是在美国或是其他国家，对于人类胚胎干细胞的研究仍顾虑到来源，在细胞的取得上往往有明确的要求和限制。 因此，在医疗临床应用或是研究上，人类胚胎干细胞仍受到道德伦理的限制而进步迟缓；另一个主要的问题在于，现在的胚胎干细胞株并非来自于患者本身，用于治疗时，无法回避患者本身免疫系统之攻击与排斥。
人工多能性干细胞
尽管人类胚胎干细胞的分离与确立，使得人们对于干细胞科学的应用有相当的期待；然而伦理上的争议，却让胚胎干细胞的研究无法前进。 因此，如果能够透过其他方式，获得具有多能性干细胞能力的细胞，势必可以让再生医学的发展更进一步。
体细胞核转移
在早期，便有许多团队投入体细胞核转移（somatic cell nuclear transfer, SCNT）之技术，将体细胞内之细胞核注入至捐赠者之去除核的卵子中，来形成全能性干细胞。 最先发展这项技术的英国科学家约翰． 戈登（John Gurdon）也因此获得了2012 年的诺贝尔奖。 然而，SCNT 技术在高等生物中，目前仍有许多问题存在。 例如利用SCNT 制作出来的复制羊桃莉，它的寿命也较正常羊只短，推测可能是在核转移的过程中，对于端粒造成了伤害。
过去在灵长类的SCNT研究上，南韩黄禹锡研究团队一度宣称创下突破性的成果，并率先将其成果发表于Science期刊；尔后，却被发现数据捏造，使得这个构想的可行性备受质疑。 此外，在美国奥利刚健康大学的米塔利波夫（Shoukhrat Mitalipov）团队，利用相同的方式，从恒河猴（rhesus macaque） 的皮肤细胞，利用体细胞核转移的方式制造出胚胎干细胞，虽然复制的效率还是极低，但也成功从囊胚中分离出两株胚胎干细胞株；此乃利用SCNT 形成之胚胎干细胞株，首度被证实可应用于灵长类。 2013 年五月，米塔利波夫团队再度运用同样的技术，创造出以SCNT 技术制作的人类胚胎干细胞，并且用这样的细胞，发育成体内的各式各样的不同细胞。 这项技术虽??然可以解决免疫系统排斥的问题，但是仍涉及卵子取得之道德争议以及形成胚胎干细胞效率不佳的困难。 同时，由于过程中创造出人类全能性干细胞，将有可能衍生出复制人，这也是伦理上值得思考的议题。
胚胎干细胞融合–再程序化技术
另一个可以制作多能性干细胞的方式为利用细胞融合的方式。 可以藉由将体细胞与胚胎干细胞进行细胞融合而达成，称为胚胎干细胞融合– 再程序化技术（ES cell fusion-mediated reprogramming, FMR）。 虽然这样的方式可以获得多能性干细胞，但这个技术依然需要使用到胚胎干细胞，以至于在将来的应用上依然牵涉到道德问题。
人工诱导式多能干细胞
2006 年时，日本京都大学山中伸弥（Shinya Yamanaka） 教授的团队发现只须将四个与干细胞特性相关的转录因子Oct3/4、Sox2、c-Myc， 以及Klf4（ 简称OSKM，也被称为「山中因子」Yamanakafactors），利用反转录病毒的方式导入小鼠皮肤纤维母细胞后，即可以促使纤维母细胞重新再程序，形成具有多能性干细胞的分化能力。 这样的细胞， 称为「诱导式多能性干细胞」（iPS细胞；induced pluripotent stem cells, iPS cells）。
图四：桃莉羊。
绵羊桃莉是第一个以体细胞核转移技术成功复制的哺乳动物。
干细胞的能力，往往需要回到体内进行验证。 起初小鼠皮肤纤维细胞所得到的类似多能性干细胞之能力，在2007 年获得证实。 小鼠iPS 细胞，如同胚胎干细胞般，可以移植回到囊胚体中，随着小鼠胚胎进行发育，最后形成「嵌合体鼠」（chimera mice）个体，也就是小鼠部分细胞来自于外源细胞（此处指iPS 细胞）。 近期，又证实能由嵌合体鼠交配生殖出一整只完全由iPS细胞来的小鼠。 这些成果显示，小鼠iPS 细胞具备有小鼠胚胎干细胞的功能，也就是可以分化成三胚层，也能发育成一整个个体。
图五：制作人工多能性干细胞的三种方式。
除在小鼠中成功制作了iPS细胞，山中团队并进一步于2007年制作出人类iPS细胞；大约同时期，美国的詹姆士． 汤姆森研究团队也以类似的技术成功制作出了人类iPS 细胞。 不过，汤姆森所使用的是Sox2、Oct3/4、Lin28 和Nanog 转录因子，与山中团队不同。 该技术不仅操作简便，并开创了得以从人类的体细胞（例如皮肤细胞、血液细胞）等制作出多能干细胞之先例——不以人类胚胎为材料，不会涉及伦理问题——让人们对于再生医学产生了很大的期待。 iPS 细胞的发明，也让山中伸弥教授荣获2012年诺贝尔生医奖。
iPS细胞的安全制作？
到目前为止，已经可以从不同物种的细胞制作iPS 细胞，例如人类、小鼠、大鼠以及猕猴（rhesus monkeys）等。 目前所发表的研究报告显示，将各式各样体细胞，依据不同的细胞性质，导入不同种类的再程序化因子——例如把老鼠的纤维母细胞（fibroblast）导入山中因子OSKM——即可再程序化。 但是在神经干细胞中，只需要转录因子Oct3/4 即可促进细胞再程序化，之所以如此，最主要仍是依据细胞内这类再程序化基因的表现量；例如神经干细胞中富含Sox2，因此不用外加Sox2 即可诱导形成iPS 细胞。 不过目前制作的效率仍偏低，因此科学家们也正在尝试利用微小RNA 或是其他因子来制作iPS 细胞，借以提高效率。
值得注意的是，在制作iPS 细胞的转录因子中， 例如c-Myc 本身就是一个致癌基因，利用这样的致癌基因虽然可以增加iPS 细胞的形成效率，但是制作出来的iPS 细胞可能有相当大的风险。 尔后山中团队的研究也发现，可以利用另一个转录因子n-Myc 来取代c-Myc，如此不仅避开c-Myc 的致癌危险，也能保有c-Myc 的效率。 另外，使用一些小分子，例如维生素C，或是DNA 甲基转移酶抑制剂（DNA methyltransferase inhibitors）、组蛋白去乙醯酶抑制剂（histone deacetylase inhibitor）来辅助染色体的组装重整，均被证实可以有效增加再程序化的效率。
如何将这几个再程序化因子导入体细胞，也是iPS 细胞在使用时重要的考量点之一。 在初期，iPS 细胞的树立，常利用一些病毒载体，包括反转录病毒、腺病毒及慢病毒等载体。 近来也发展出有使用非病毒质体、基因的蛋白质产物，来诱导iPS 细胞形成的技术；不同的导入方式，也影响iPS形成之效率与使用安全性。
人工多能性干细胞之研究前瞻
从iPS细胞到造血干细胞
日本东京大学的中内启光教授在美国的《分子治疗》期刊发表成果，指出该团队成功将人类的iPS细胞转换成「造血干细胞」，这项技术将可望有朝一日能用于治疗血液相关疾病。
这项研究中，研究人员先将所制造的人类iPS 细胞，直接移植入缺乏免疫的突变小鼠体内，由于iPS 细胞具备有多能分化潜能，故在小鼠体内形成具有三胚层的畸胎瘤。 在注射一些诱导生长的因子后，畸胎瘤中便进一步产生了人类的造血干细胞。 同时，这些造血干细胞也可以再移植至小鼠的骨髓内，并证实具备正常的造血功能。
为了验证这样的造血干细胞能否长期运作、发挥功能，研究人员将此类造血干细胞取出，移植至经放射线照射过的小鼠体内；三个月后，从小鼠骨髓中仍可见到当初移入的人类造血干细胞，并且此时小鼠体内全部的血液细胞均由这些造血干细胞所制造。
尽管在这个研究之前，也有不少科学团队曾尝试将人类iPS 细胞分化至造血干细胞，然而，这些干细胞多半仍无法成功移植、发挥作用。 待这样的技术成熟，预计未来将有机会提供白血病等疾病新的治疗方式；例如在临床应用上，便有可能藉由「猪」或其他物种，来生产大量的造血干细胞，用以治疗过往形同绝症般的血液疾病。 如此不仅克服了伦理问题，也解决了医疗上骨髓捐赠不足的困扰。
利用iPS细胞来重现癫痫的脑内病态
在2013年五月，日本福冈大学以及庆应大学学者所组成的研究团队，利用「已经无法药物控制」的癫痫病患的皮肤细胞，成功制作出「病患的iPS 细胞」。
癫痫是一种神经系统性的疾病，通常因为脑损伤病变后，脑细胞无法正常运作，导致过度放电所引起的脑部疾病。 染上癫痫的病患，终身需要靠着药物来控制神经细胞的运作。 癫痫也会出现痉挛、暂时性失忆、四肢抽搐、口吐白沫等症状。 在目前，全球约有1％的人具有癫痫，而在这之中约有三成的患者，无法借药物抑制的方式控制病情。
「小儿肌张力型癫痫症候群」是由于在体内先天SCN1A 基因产生缺失，所引起癫痫状的症候群。 福冈大学和庆应大学团队的研究内容为，利用从幼儿期就会发病的「小儿肌张力型癫痫症候群」病患的皮肤细胞制作成iPS 细胞，再利用病患的iPS细胞分化至神经细胞，其后便得以进一步利用该神经细胞来探讨这类病患的脑部的机能。
这类的神经细胞的试验结果发现，与正常人的神经细胞相比，由「小儿肌张力型癫痫症候群」病患制作出来的神经细胞所产生的「抑制性」功能的电生理讯号表现低下— —其反映出病患体内神经细胞之生理——因而导致癫痫。
利用iPS细胞形成免疫细胞大军治疗癌症
日本熊本大学的千住觉准教授在2013年七月发表了一项利用iPS细胞进行癌症治疗新方式。 这项技术是将iPS 细胞在体外制作成免疫细胞，之后利用这些「被训练好」的免疫细胞进行癌性腹膜炎或是胰脏癌的治疗。
癌性腹膜炎发生在胃的外侧，罹患此症的患者往往无法藉由胃癌切除手术治疗，也无法有效利用抗癌药物；在发现罹病后，往往只剩下一年多的寿命。 类似的情况也发生在胰脏癌患者身上，胰脏癌在发生初期也不容易发现，一旦发现，也往往很难有效治疗。
千住教授的团队在2011 年时，已成功将iPS 细胞在体外分化成免疫系统中的巨噬细胞。 千住教授希望能够利用免疫细胞辨识外来细菌等特性，让免疫细胞可以经过训练，来辨识癌细胞。
在2013 年的最新研究里，千住教授将人类的胃癌、胰脏癌细胞放入免疫缺乏的小鼠中，任其生长形成肿瘤。 实验分成两部分，一组是在放入的过程中，同时也放入免疫细胞（由iPS 细胞分化，并具备辨识癌细胞能力）；另一组则是没有置入免疫细胞。 两周后，在有免疫细胞的群体中，几乎所有的癌细胞都被杀死，然而没有免疫细胞的组别，肿瘤细胞在两周内便遍布小鼠腹腔。
千住教授希望将来能让这样的技术，搭配一般现行的疗法，发展出新的癌症治疗方式（图六）。
图六：利用iPS 细胞分化至免疫细胞，用以辨识不正常病态细胞。 （作者提供）
结语
人工多能性干细胞的发现与应用，使我们对一些疑难杂症有了新的思维。 尽管目前在这些人工多能性干细胞的使用上，仍有些许安全上的疑虑，但是在这些研究过程中，也许可以给我们一些新的启发，进而推展出不同以往的医疗方式。 同时，人工多能干细胞的制作过程伴随着「细胞再程序化」，这个概念也颠覆了过去人类对于细胞命运的看法，此后科学家也在许多生理与病理的形成过程中看到细胞再程序化的类似情形；这些发现，将有助于使我们理解世界上繁复的生命现象，并促成研发新式的药物与疗法。
