再生醫學探討

Size: px

Start display at page:

Download "再生醫學探討"

争六龄席
5 years ago
Views:

1 投稿類別 : 生物類篇名 : 再生醫學新曙光組織工程與 3D 生物列印作者 : 邱博群臺中市私立明道高級中學高二 2 班賴傳允臺中市私立明道高級中學高二 2 班黃晨凱臺中市私立明道高級中學高二 3 班指導老師 : 賴姿秀老師

2 壹前言一研究動機 2014 年, 日本理化學研究所的研究員小保方晴子及其團隊, 聲稱掌握了多能幹細胞 (pluripotent stem cells) 的新製備方法, 可單純通過外界刺激令體細胞轉變為幹細胞, 並將之命名為 STAP 細胞, 後雖被人揭穿 STAP 細胞其實並不存在, 然而, 此事件已徹底展現了人們對幹細胞的重視與期望除了最普遍的胚胎幹細胞之外, 在 2006 年, 日本京都大學的山中伸彌利用小鼠皮膚細胞製造出誘導多能性幹細胞 (ips 細胞 ), 這對傳統使用胚胎幹細胞製作再生器官的倫理爭議無疑是一道解藥, 截至目前為止的十年間, 它已成功達成了不少創舉, 可謂是當世紀不可忽視的明星有鑑於幹細胞的發展, 再生醫學技術也同樣以驚人的速度不斷精進, 而在科技發展下誕生的 3D 列印技術, 更讓整個再生醫學達到一個全新的高峰, 甚至, 科學家還試圖將 3D 列印技術推廣到器官層級, 以達成更具成效性的醫學實用, 引發了另一波科學風潮二研究目的分別研究組織工程三要素 ( 細胞支架訊號 ), 對不同種類的幹細胞作一個詳盡的介紹與比較, 並說明再生醫學相關技術上的限制和安全考量, 以評估其未來發展性及對人類醫學的影響貳正文一再生醫學 ( 一 ) 再生醫學簡介再生醫學是指利用組織工程技術, 製作出能正常運作的器官或組織, 用來修復或替換人體內不健康的器官與組織通常科學家會先以體外培養方式培養出所需組織, 隨後才會移植至人體內, 而為培養出人體中各式各樣的細胞, 幹細胞在再生醫學中扮演著舉足輕重的角色 ( 二 ) 組織工程流程首先, 我們會從生物體取下它的體細胞或幹細胞, 分離之後將之置於適當的培養基中培養, 待細胞數目足夠後, 接著將細胞放到人工支架上並進行各種刺激以促進其分化生長, 待一段時間後, 這些細胞最後將成為一完整的組織或器官, 2

3 到這個階段, 我們仍有一個重要的工作, 就是進行各種測試以確定其可正常運作, 接著才能正式投入醫療或進行相關的科學實驗流程簡單整理如下 :1. 取出細胞 2. 培養細胞, 並增加細胞數目至足夠數量 3. 製作人工支架 4. 將細胞培養於人工支架中 5. 加入特定訊號分子促進細胞分化 6. 等到組織或器官完成後, 進行測試以確定其具有正常功能二幹細胞介紹 ( 一 ) 依分化能力分為 ( 表一為簡單整理 ) 1. Totipotent stem cell( 全能性幹細胞 ) 分化能力最強, 能分化為一完整個體例如 : 受精卵分裂發育成為八個細胞的階段中, 任一細胞皆是全能幹細胞 2. Pluripotent stem cell ( 多能性幹細胞 ) 全能性幹細胞後代, 能分化為幾乎所有細胞, 但不能單一個細胞就形成個體例如 : 八細胞期後的胚胎幹細胞 3. Multipotent stem cell( 多潛能幹細胞 ) 只能分化為特定組織細胞例如 : 胎盤中的間質幹細胞造血幹細胞 4. Unipotent stem cell( 專一性幹細胞 ) 只能產生一種細胞類型例如 : 上皮組織底層的幹細胞表一 : 依分化能力區分的幹細胞比較全能性幹細胞多能性幹細胞多潛能幹細胞專一性幹細胞分化能力最強強中弱醫療實用極少見少見最常見極少見例子八細胞期前的胚胎幹細胞八細胞期後的胚胎幹細胞造血幹細胞上皮幹細胞 ( 二 ) 來源 1. 胚胎 ( 分化能力強但具爭議性 ) 2. 體細胞 ( 通常分化能力較弱 ) 例如 : 骨髓幹細胞神經幹細胞 ( 三 ) 胚胎幹細胞 (Embryonic stem cells, 簡稱作 ES 細胞 ) 3

4 胚胎幹細胞是指從胚胞 ( 早期胚胎尚未分化的細胞團 ) 中取得, 並經細胞培養所得到的幹細胞株, 通常, 我們會利用人工體外授精的方式得到受精卵, 並進一步取得早期胚胎以培養胚胎幹細胞胚胎幹細胞可以分化成為身體中的任何細胞, 為分化能力最強的一支, 且在適當環境下, 它可以無限制的增加數目, 在醫療方面具有相當大的優勢, 但由於每個個體的主要組織相容性複合體 (Major histocompatibility complex) 不同, 其所培養的組織器官經移植後也可能會有免疫排斥反應, 儘管如此, 它在醫療上的發展潛力仍舊很高而隨著技術的進步, 我們也可以藉細胞核轉移技術或基因工程技術來避免移植後的排斥反應, 例如, 科學家會利用複製桃莉羊時所使用到的核轉移技術, 將自身的體細胞核轉移到一顆已經去掉核的卵之中 ( 圖一 ), 再利用電融合技術使之形成受精卵不過, 利用核轉移技術培育出來的新組織仍存在著缺陷, 此技術還有待成熟雖然胚胎幹細胞有以上特質, 但仍然需要受精卵的形成, 故要取得胚胎幹細胞, 首先得面對的就是複雜的倫理問題, 由於無自我意識的胚胎是否可以算是一條生命至今尚無共識, 對某些人而言, 胚胎幹細胞的取得就等同於犧牲一條無辜的生命, 因此, 在如此爭議下, 倫理問題便成為了胚胎幹細胞研究發展的一大阻礙, 若無法解決這個問題, 那麼科學家就勢必得去尋找另外一種幹細胞來取代胚胎幹細胞圖一 : 胚胎幹細胞製作簡圖 ( 資料來源 : 科學月刊 2014 年 1 月號 529 期多能性幹細胞 ) ( 四 ) 成體幹細胞 (Adult Stem Cell,ASCs) 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 ( 註 2) 而這些成體幹細胞在適當的誘導條件下, 可分化出組 4

5 成該器官組織的各種細胞類型, 以取代該器官組織中衰亡的細胞, 維持機體的正常結構和功能通常, 成體幹細胞會處於休眠狀態, 在受到損傷或受到特定因子作用才會被激活, 取代失去生理活性的細胞來維持組織環境的穩定與胚胎幹細胞相比, 成體幹細胞的分化能力雖較弱, 增加細胞數目的能力也較為有限, 但在應用上仍有它的優勢之處, 例如它存在於人體各種組織和器官中, 來源廣泛, 且不涉及倫理問題, 此外, 因正常情況下成體幹細胞處於休眠狀態, 只有在部分情況下才會顯示出自我更新潛能, 因此癌變的可能性較小 ( 五 ) 誘導多潛能性幹細胞 (Induced pluripotent stem cells, 簡稱作 ips cells) 1. 定義將四個重新程式化基因 (Oct4, Sox2, c-myc 和 Klf4) 導入體細胞中, 經由基因誘導程序, 使體細胞重新初期化而重新獲得胚胎幹細胞特性因導入的基因因子可作更換, 現指體細胞經細胞重新編程後所誘導而成的幹細胞 2. 特性 ips cells 的分化能力極佳, 可分化成大部分的組織細胞, 且又不受細胞類型的限制, 特性與胚胎幹細胞十分相似 3. 製法藉由反轉錄病毒載體將重新程式化基因 (Oct4, Sox2, c-myc 和 Klf4) 引至體細胞內, 誘導出 ips cells( 圖二 ), 但因效率不彰, 後來科學家們積極尋找其他的基因因子以提高生成速率此外, 科學家也發現, 重新程式化基因並不是一定要全部加入, 有些基因可以不用加入或可用其他基因取代, 因此,iPS cells 的製法其實不盡相同 4. 用途由於其性質類似於胚胎幹細胞, 因此可以培養出大部分的人體細胞, 至目前為止, 科學家已成功培養出完整皮膚組織心肌細胞和角膜上皮細胞等等, 且因是由自體細胞誘導而成, 不只可避免免疫排斥的問題, 同時也不會出現胚胎幹細胞所造成的倫理問題 ( 表二 ) 5. 缺點體細胞的分裂次數是有限的, 但萬能幹細胞卻是無限且不對稱的, 而癌細胞恰擁有相同特質, 故被植入 ips cells 中而能促進分裂的基因, 可能會將它轉化為癌細胞, 這是 ips cells 在再生醫學運用上所遇到的難題, 因只要 5

6 有部分未正常分化的 ips cells 混進培養中的組織中就有機會形成所謂畸型腫瘤不過, 近來的研究指出, 細胞中的微小 RNA 能成功分辨 ips cells 是否有正常分化, 並能以高精準度去除這類惡性的 ips cells 圖二 : 誘導多潛能性幹細胞製作簡圖 ( 資料來源 : 科學月刊 2014 年 1 月號 529 期多能性幹細胞 ) 表二 : 各種不同類型幹細胞的特性比較 ES 細胞成體幹細胞 ips 細胞分化能力全能性專一性全能性分裂次數無限有限無限倫理問題有無無免疫排斥不一定無無癌變機率中低較高未來發展性未知 ( 因爭議 ) 小大三人工支架 ( 一 ) 簡介要建構一個組織, 細胞外基質是不可或缺的, 支架的角色就等同是細胞外基質, 要先架好支架, 細胞才能依附生長於其上, 而依據支架結構, 細胞能被引導朝特定的方向生長分化, 並逐漸形成組織 ( 二 ) 要求首先, 支架須具備良好的生物相容性, 即材料表面適合細胞生長且應具備足夠的物理強度, 此外, 若支架在體內長期存在, 會妨礙到組織的再生, 所以支架材料必須具有可被生物分解的性質及適當的分解速率, 因此, 並不是所有物質都可以用來製作人工支架一般來說, 常用的天然材料有取自動物的膠原蛋白及一 6

7 些含水膠質如藻膠洋菜膠, 而人工合成材料常用的有聚乳酸聚甘醇酸等高分子聚合物為了提供細胞適當的生長空間及足夠的營養來源, 支架通常會有許多相互連接的孔隙, 使細胞得以在其中繁衍生長, 因此, 像膠原蛋白聚乳酸聚甘醇酸這類可降解的高分子化合物常被塑造成如同海綿一般的多孔性結構, 以便細胞和營養液流通 ( 三 ) 製法 1. 鹽析法 : 將生醫材料先用有機溶劑溶解, 再混入水溶性填充物, 放置於培養皿中, 待溶劑揮發之後, 會形成一個塊狀混合物, 接著, 將此混合物浸於水中兩天, 等水溶性填充物被溶解去除後, 原本填充物所占據的空間就變成了多孔性結構 2. 冷凍乾燥法 : 先將生醫材料溶解, 然後置入液態氮中急速冷凍約三十分鐘, 接著, 再於真空環境下進行冷凍乾燥兩天如此, 溶劑會因真空乾燥緣故而揮發, 使原本所占有的空間變成孔洞 3. 熔積成形法 : 將生醫材料製成線材, 此線材會先經過一加熱管使其溫度達到其熔點附近, 接著再由噴嘴擠出由於材料很快就會冷卻凝固, 因此藉由控制噴嘴位置, 在孔洞處不擠出材料, 就能做出理想的支架結構四訊息因子有些物質與細胞受體結合後會於細胞內引發一連串的化學反應, 並進而啟動某些基因的表現, 影響細胞許多行為, 如生長趨向與分化等等, 有了這些物質, 細胞才能逐漸發展成為組織, 而個體才得以成型舉凡傳達給細胞後能使之進行貼附增生遷徙與分化的因子, 如貼附因子生長因子細胞素等蛋白質, 通通都屬於訊息因子的範疇不過, 其實訊息因子並不局限於有形分子, 其他如機械應力或超音波等物理訊號, 也會對細胞的增生與分化產生作用 ( 註 14) 五 3D 生物列印 ( 一 ) 簡介 7

8 3D 生物列印顧名思義就是列印出的東西不是物品, 而是生物器官它與一般 3D 列印最大的不同, 就是它使用的是生物墨水所謂生物墨水簡單來說就是各式各樣體外培養的幹細胞或體細胞, 作用等同於一般印表機中的墨水在列印前, 先斷層掃描真的器官, 之後轉換為 3D 模板, 然後驅動印表機將墨水噴在一張張可被生物降解的材料上 ( 註 8), 這個材料等同於一般的影印紙, 只不過它可以被自然分解, 因此當我們將每張影印紙用黏著劑固定並堆疊成立體形狀, 等這些平面材料分解後, 所留下的生物墨水, 也就是細胞, 就能夠形成一個具有立體結構的組織或器官正因為 3D 生物列印可以直接列印出整個組織或器官, 不像傳統組織工程必須先做出支架, 還得等細胞慢慢填滿整個支架, 組織才能成型 ( 表三 ), 因此科學家不斷努力想列印出更大型的組織, 甚至想列印出整個器官, 其實, 生物列印本身並不是件困難的事, 但如何讓列印出的組織器官得到足夠的養分可就是一個棘手的問題, 對此, 我們務必得想辦法製造出血管結構, 讓血液供給這些器官或組織養分, 並排除代謝廢物, 使它們再生後得以存活其中一個血管結構問題的解決方法是這麼發展而來 : 賓州大學的研究員米勒 (Jordan Miller) 發現標本製作者在製作大型器官中的血管結構時, 會先在血管內灌注矽酮, 再把外面的器官組織溶解米勒因此推測溶解可能是製造血管結構的關鍵, 但矽酮對活體細胞具有毒性, 故米勒利用生活中常見的糖作為代替, 列印出已調配過比例的糖絲混合物, 成功用可溶解的糖列印出血管完美的血管網骨架, 接著再讓細胞外間質及能形成血管的內皮細胞附著於其上, 之後將糖製模型溶解掉, 留下的便是由活細胞所組成的血管管路簡單來說, 這個方法就是用糖取代血管的位置, 等細胞附著上後, 再把糖溶解掉, 形成血管儘管科學家已想出一些辦法, 但仍需進一步的測試, 才能確定真正的成效畢竟, 一旦缺乏血管組織的話, 再生的器官將無法獲得養分和氧氣, 以致很快死亡生物列印成功與否的關鍵, 主要則在於列印後細胞的存活率, 以及細胞的表現和細胞間的交互作用是否能如預期一樣換言之, 只要能解決以上問題, 再生器官成品將有機會實際運用於醫療上, 給予人類醫學上重大幫助表三 : 傳統組織工程再生組織與 3D 生物列印再生組織的比較傳統組織工程再生組織 3D 生物列印再生組織成本較高較低時間數禮拜至數月數小時至數天排斥性視幹細胞種類而定視幹細胞種類而定組織結構較簡單較複雜應用範圍較小較廣泛 8

9 參結論在未來, 人類的醫療很有可能會出現一種全新的樣貌, 隨著再生醫學的不斷發展, 只要科學家能成功控制幹細胞的正常分裂分化, 將其癌化可能性降到正常標準, 並將一些較為重要的組織工程技術發展完善, 就能減少再生器官的製作成本及時間, 同時也能兼顧到再生器官的品質及安全性, 如此一來, 不像現在身體出了問題, 通常我們只能藉由吃藥來減緩病情, 一旦這些技術成熟, 未來我們或許能直接培養出健康的組織來更換掉病人體內不正常的部分, 這種藉由更換組織來徹底醫治病人的方式, 將成為未來的趨勢, 因此我們更應好好重視再生醫學這個領域其實, 每種再生醫學技術及幹細胞都有著各自的優劣之處, 也有其臨床應用上的限制安全考量, 然而, 這些可貴的技術無疑會對人類社會的未來帶來全新的面貌, 在未來的研究發展上, 我們不只得設法改善其缺點, 更必須提出一些全新的技術或想法來為再生醫學注入另一道活泉此外, 我們也不能只全心專注在某個單一的再生醫學技術上, 因為再生醫學的每個環節都是彼此環環相扣相輔相成的, 有待我們進一步研究, 將再生醫學發展得更加完善肆引註資料註 1: 整合生物科技組織工程再出發科學人特刊 14 號尖端醫學, 註 2: 陳彥榮 (2013) 多能性幹細胞科學月刊,529 期,26-32 註 3: 涂可欣 ( 譯 )(2004) 幹細胞的挑戰科學人雜誌,29 期,38-43 註 4: 游念玲 ( 譯 )(2013) 長生不老的 ips 細胞臺中市 : 晨星出版社註 5: 林正焜 (2006) 細胞種子認識幹細胞與臍帶血臺北市 : 商周出版註 6: 醫學大未來 : 幹細胞當家科學人雜誌,135 期,38-47 註 7: 生物學 CAMPBELL( 第八版 ) 註 8: 3D 列印專題 ( 二 )- 從幹細胞到頭蓋骨,3D 列印的器官製造奇想 2015 年 4 月 20 日註 9 : 波仕特專題 :ips 細胞 2015 年 4 月 7 日 %8A_ pdf 註 10 : 胚胎幹細胞研究的倫理爭議 2015 年 4 月 7 日註 11 : 微小 RNA / 小分子 RNA (Micro RNA) 科技部高瞻自然科學教學資源平台註 12 : 再生醫學與組織工程學應用科技部高瞻自然科學教學資源平台 9

10 註 13: 組織工程 : 幫細胞蓋一個家組織工程用支架 - 科技大觀園科技部註 14: 組織工程 : 巧奪天工的人類智慧組織工程 - 科技大觀園科技部註 15 : WOW! 知識誌 - 新知 : 三分鐘認識醫學界新寵 ips 細胞 2015 年 4 月 14 日註 16 : 齊藤博英京都大學 ips 細胞研究所 10

A A A I have a dream A 故事緣由 100 μm a

A 夢細胞工房三度空間細胞培養故事 5 A Dream A 38 2014 11 503 A A A I have a dream A 故事緣由 100 μm 0.000001 20 a 2014 11 503 39 尋找適合幹細胞培養的環境, 尤其是一個三度空間的環境, 對於讓細胞表現出正常的特性格外重要 1960 1980 40 2014 11 503 50 μm 3D 41 2014 11