幹細胞之研究與應用
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文/黃效民
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幹細胞的發展，尤其是人類胚胎幹細胞之成功分離與培養，被喻為人類生命科學繼一九九七年桃麗羊複製成功後，又一偉大的成就。而幹細胞的研究領域，顯示出人類生命科學一項跨越式的里程碑，將來在醫學技術與生物技術產業之發展，更具有深厚潛力的無限商機。
有關幹細胞之研究和成果，並非始自今日，老鼠胚胎幹細胞的分離培養和特殊基因植入、剔除等均早已有豐碩的成果且成為許多研究之必備工具，然而直到人類胚
胎幹細胞培養成功被真正發表後，才引起科學界和社會上普遍的認知和注意。人類胚胎幹細胞和組織幹細胞培養成功，將來細胞之來源必有一番革命性的改變，十年
內傳統偏重腫瘤之細胞庫功能和需求將完全喪失，國家衛生研究院細胞庫必須適時投入並注意此領域之研究，收集和建立研究人員需要的各種幹細胞，方能迎頭趕上
世界生物科技角力的競賽。過內也必須注意此領域之發展，適時跟上最新資訊和技術，尋找可切入之利基投入研究行列，方可免於被淘汰之命運。 |
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何謂幹細胞？
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| 幹細胞（stemcells）乃指具有無限制分裂能力，同時亦可分化成特定組織細
胞，在細胞生物發育階段屬於較原始期階段之細胞稱之。依幹細胞可分化之能力限制，又可分為全能性幹細胞（totipotentstemcells）和多能
力性幹細胞（pluripotentstemcells），如圖ㄧ。 |
本文作者為國家衛生研究院細胞庫計畫主持人
食品工業發展研究所研究員兼菌種中心細胞株單元主持人
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圖一、人類之發育和幹細胞之來源(7)
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全能性幹細胞（totipotentstemcells）：totipotent
一字乃指具有完全能力
的，totipotentstemcells每一個細胞均可發育成一個完整的生物個體。在生物發育學裡，當精子和卵子結合成為受精卵後，一個受精卵分裂成
為二個完全相同的細胞，二個細胞分裂成為四個細胞、八個細胞，在此時期此八個細胞中任何一個細胞單獨放入成熟女性子宮中均可發育成為單獨且完整之個體，此
種細胞即稱為totipotentstemcells。事實上，所謂同卵雙胞胎、三胞胎、四胞胎，即為受精卵分裂成二個或四個
totipotentstemcells後，每個細胞單獨分開發育，故成為雙胞胎或四胞胎，至於三胞胎則為四個totipotentstemcells中
的一個在發育過程中不幸未能成熟之故。Totipotentstemcells時期大約僅維持四天，即進入下一階段之發育，形成特殊分化細胞，稱為原始胚
囊體（blastocyst）。
多能力性幹細胞（pluripotentstemcells）：pluripotent
一字乃指具有能力的，但有部份限制，而非完全的。
Pluripotentstemcells並不能像totipotentstemcells一樣，可發育成為完整之生物個體，因為有部份之缺失。在
blastocyst時期，細胞已可被區分成外層之滋養層細胞（trophoblastcells）和內層之內細胞團（innercellmass），中
間具有一個囊腔。滋養層細胞將來和子宮壁結合發育成為胎盤，供應胚胎發育所需之營養。內細胞團則發育成為真正人體的所有組織和器官，如外胚層（將來發育成
為神經系統）、中胚層（將來發育成為骨骼、血液、肌肉等）和內胚層（將來發育成為內臟器官）。由於此些內細胞團具有可發育成為許多身體組織細胞之能力，但
不是胚胎，故稱為pluripotentstemcells。
Pluripotentstemcells可分化成為特定組織的幹細胞，
如血液幹細胞（heamatopoitentstemcells）、神經幹細胞
（neuralstemcells）、皮膚幹細胞（skinstemcells）等等。這些特定之幹細胞僅能發育成為特定組織之分化細胞（end-
differentiationcellsorterminalcells），例如血液幹細胞除可不斷分裂成為相同之血液幹細胞外，亦可接受不同刺激分化
成為骨髓細胞和淋巴細胞；骨髓細胞則可進一步分化成為紅血球、血小板、嗜中性球、嗜酸性球、嗜鹼性球和巨噬細胞等；而淋巴細胞則可分化成為Ｂ淋巴球和Ｔ淋
巴球以及自然殺手細胞等。簡言之所有血液細胞均由血液幹細胞進一步分化而來。神經幹細胞之發育，亦如血液幹細胞，除可不斷分裂成為具有相同功能之神經幹細
胞外，亦可分化成為神經膠母細胞（glioblast）和神經母細胞（neuroblasts），神經膠母細胞則可產生神經膠細胞
（gliacells），神經母細胞產生神經元（neurons）和其他granulecells。
Pluripotentstemcells在早期胚胎發育上極為重要，但在小孩和成人身上仍然可以發現它們的存在，例如血液幹細胞在每一個小孩和成人之
骨髓中大量存在，即使周邊循環之血液中仍可被檢測出有血液幹細胞，僅是其含量非常稀少。目前外科手術使用之骨髓移植，主要就是將HLA-typing相同
（避免發生免疫排斥）之骨髓細胞，由健康人身上移植至病患身上，恢復病患之造血和免疫功能。 |
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人類胚胎幹細胞
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一九九八年十二月，美國約翰霍普金斯大學的JohnGearhart實驗室和威斯
康辛大學的JamesThomson實驗室分別於美國科學院期刊（ProceedingofNationalAcademyScience,USA）和科
學期刊（Science）同時發表人類胚胎幹細胞的體外培養成功。
Dr.JohnGearhart由早期流產胚胎的組織中，分離篩選得到原始生殖細胞（primordialgermcells,PGC），於特定培養基
成份下，可不斷分裂，亦可接受不同刺激而發展成不同組織的類胚胎體（embryoidbodies），此種具有幹細胞特性的原始生殖細胞，特別稱為人類生
殖幹細胞（humanembryonicgermcells,hEG）。hEG除可維持未分化狀態而大量增殖培養外，所形成的類胚胎體可進一步形成許多種
不同的組織細胞，如神經細胞、血管內皮細胞、肌肉細胞和內胚層相關細胞等。
Dr.JamesThomson則由不孕症治療時製備之受精卵，手術剩餘的胚胎細胞，原應將之銷毀，經當事人同意後捐給研究人員進行實驗研究後取得。
Dr.Thomson等人將已分裂成約一百四十個細胞的原始囊胚體（blastocyst）內，稱為內細胞團（innercellmass）的細胞加以分
離培養，成功的得到五個細胞株，可持續培養、分裂。此五個細胞株除具有正常的染色體（normalchromosomekaryotype）、高表現的端
粒脢活性（telomeraseactivity），和胚胎幹細胞表面標誌（cellsurfacemarkers）外，亦可進行分化，形成滋養層細胞和
三個胚層的組織（embryonicgermlayers），即外胚層、中胚層和內胚層，故具有原始胚胎幹細胞
（totipotentstemcells）之特性，特別稱為人類胚胎幹細胞（humanembryonicstemcells,hES）。
目前威斯康辛大學特別在獲得靈長類和人類胚胎幹細胞的美國專利（USP5,843,780和USP6,200,806）後，成立WiCell公司
(http://www.wicell.com)，由Dr.Thomoson擔任執行總裁（CEO），對外提供印度恆河猴和人類胚胎幹細胞，研究人員必須
簽署一份MaterialTransfer&LicenseAgreement（MTLA），保證不進行：一、將幹細胞與完整的人類或非人類的胚
胎混合；二、將幹細胞或幹細胞產物植入子宮內；三、嘗試利用人類胚胎幹細胞製造完整胚胎。簽署後即可以五千美元取得人類胚胎幹細胞及其授權研究使用，二千
五百美元取得印度恆河猴胚胎幹細胞及其授權研究使用，商業公司則須負擔較高之價格。 |
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幹細胞之應用
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| 人類幹細胞的分離和體外培養成功，包括胚胎幹細胞和特定組織或血液之幹細胞，不僅代
表人類生命科學的一項里程碑，在醫學技術和層次以及生物技術產業上的發展，更是一項深具潛力和無限商機的發現。幹細胞之應用，可分成三大類：一、產生特定
細胞或組織，作為細胞再生或組織移植和部份更新；二、對藥物開發和研究產生新的理念，藥物的安全性和有效性可以特定幹細胞進行分析和篩選；三、基因表現、
人類發育、疾病發生、癌症研究等，如圖二所示。 |
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圖二、幹細胞研究之應用領域(7)
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一、 產生特定細胞或組織，作為細胞再生或組織移植和部份更新：
許多疾病的發生，與細胞功能的喪失或組織的壞死有關，例如糖尿病、Parkinson's和Alzheimer's的老年痴呆症、中風、脊椎神經受傷、
燒燙傷、心臟衰竭、肝硬化等等。當今的醫療技術有些雖可以移植正常器官或組織而治癒，但正常可移植的器官卻嚴重缺乏，器官捐獻並未為形成風氣，即使在美國
每年約有四十萬等待肝臟移植之病患，能成功進行肝臟移植者卻僅有二千名左右。而幹細胞之發展，極有可能可以解決大部分特定細胞和組織來源的問題。目前研究
人員已成功的在老鼠試驗中，證明將健康的老鼠心臟肌肉細胞大量培養後，注射至受傷的老鼠心臟附近，正常的心臟肌肉細胞會移到受傷的肌肉細胞處，取代受傷細
胞，並與其他細胞協調得很好而表現出正常心臟的功能。
另一成功範例為將胰島細胞移植或注射到胰臟處，移植的正常胰島細胞即可自行分泌胰島素而解決因第一型糖尿病病患之病徵。目前研究人員正積極的試圖瞭解由
幹細胞分化成為許多特定組織細胞的機制，從而調控主導幹細胞之發育或分化成為特定所需之細胞。
在骨髓移植上，即血液幹細胞之移植，目前已成為成熟之技術，惟由於相同HLA-typing可供移植之骨髓，非常難求，若於出生時即保存臍帶血幹細胞，
供自體移植或相同HLA-typing之病患，可解決大部份無法取得健康和配對成功，卻需進行骨髓移植之手術，作為化療和放射線治療後，病患恢復健康的標
準治療流程，如圖三。目前若能開發血液幹細胞之增殖培養成功，則病患於化療或放射治療前，先行抽出骨髓或由周邊血液分離健康血液幹細胞，或使用自體出生時
保存之臍帶血幹細胞，於實驗室中專一性的大量培養血液幹細胞，待化療或放射治療後，再輸回病患之體內，可提供多量健康幹細胞，除可避免骨髓捐贈和HLA-
typing、移植物抗宿主等等複雜之問題，對於手術後之恢復，將有更大之幫助，如圖四。 |
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圖三、臍帶血幹細胞之保存和治療應用(3)
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圖四、自體骨髓細胞體外培養增生後輸回病患之流程式意圖(3)
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二、 對藥物開發和研究產生新的理念，藥物的安全性和有效性可以特定幹細胞進行分析和篩選：
幹細胞培育成功，亦使得許多藥廠對其具有極高之憧憬，主要原因為利用幹細胞可分化成特定組織或器官之細胞特性，可開發誘導或阻礙分化之醫療藥物；同時在
研究或測試之正常細胞來源上亦不再依賴由活體組織取得有限且少量之限制。而在藥物開發過程中，藥物安全性的分析，亦可由特定幹細胞或由幹細胞分化之專一細
胞作為試驗之標的，而非傳統上必須進行耗時費力又昂貴的動物實驗。 |
三、 基因表現、人類發育、疾病發生、癌症研究：
生物之發育起自一個卵子與一個精子細胞之結合成為受精卵起，融合的細胞進行一系列反應，由最初的一個細胞分裂成為二個、二個變成四個、四個變成八
個…….，細胞何時知道、如何知道該如何表現，為何原來相同之細胞最後會分化成為功能、外觀如此不同之細胞，有趣的是除生殖細胞外，所有的體細胞其所含的
遺傳物質（染色體）完全相同，目前的知識僅知為基因表現不同所造成，對於詳細基因表現之調控，幾乎完全付之闕如。
雖然人類全部染色體DNA（wholegenome）序列將近完全被定序出來，不過這僅代表目前的知識可以知道人類或其他生物的染色體DNA全部的序
列，至於真正基因與基因的關係和調控，甚至這些基因的用途、在生理上之意義、如何表現、何時表現、何時不可表現等等均尚未明瞭。知道DNA序列並無法同時
回答這些問題，而幹細胞之研究可適時填補這些問題的答案，同時瞭解生物發育上我們關切之問題。
在疾病成因、癌症治療上，研究幹細胞可以提供某些因細胞分化或遺傳上的缺失而造成的疾病之因果關係，從而提供解決方式。癌細胞乃細胞不正常之持續分裂增
殖，而造成細胞癌化之分子機制，絕大多數為許多原已存在於細胞內的所謂致癌基因（oncogenes）不正常的活躍或是細胞內的腫瘤抑制基因
（tumorsuppressorgenes）功能喪失所致。而所謂致癌基因、腫瘤抑制基因在所有正常細胞中均存在，他們與細胞之分化、生物之發育息息相
關，研究此些基因在幹細胞分化所扮演之角色，有助於瞭解癌症之原因和控制。無怪乎基礎研究人員、醫學研究人員、藥廠、生技公司甚至許多跨領域之人員紛紛投
入幹細胞之研究和應用。 |
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幹細胞之來源
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胚胎幹細胞之來源，除了上述提及的由早期流產的胚胎或人工授精產生之試管嬰兒的胚
胎，篩選分離外，利用與桃麗羊複製相同之技術，亦可得到胚胎幹細胞，如圖五。利用由體細胞取出其細胞核，以顯微注射方式植入已去除細胞核之卵子中，或利用
適當的細胞融合技術使細胞核與去除細胞核之卵子結合，經適當之培養和刺激後，細胞會進行類似受精卵之分裂和發育形成胚胎，研究人員即可在細胞發育之初期，
將totipoentstemcells或內細胞團之pluripotentstemcells分離出來，並進行增殖培養。若欲篩選特定之幹細胞
（commitmentstemcells），則可從原組織中篩選之，如血液幹細胞可從初生嬰兒之臍帶抽出少量之血液而得、或成人之骨髓中篩選得到，另周
邊血液亦含有極少量的血液幹細胞，利用高靈敏篩選技術可分離得到。
而其他組織之幹細胞如神經幹細胞、肝臟幹細胞、皮膚幹細胞等等，則一般均由成熟之組織或合法墮胎之胚胎中篩選分離而得，惟由於此類細胞不易培養和篩選，
許多因子仍在研究發展中。值得注意的是，亦有研究人員宣稱已成功的由人體的脂肪組織可分離得到類似中胚層之幹細胞，或嬰兒出生後的胎盤中經特殊分離方式可
以取得胚胎幹細胞，目前研究較多的則是由骨髓中分離出非血液幹細胞的基質型幹細胞（stromalstemcells），此種基質型幹細胞可幫助血液幹細
胞的增殖培養，亦可分化成為骨骼細胞、軟骨細胞、肌肉細胞和脂肪細胞等等。 |
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圖五、利用體細胞核轉移技術產生幹細胞(7)
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倫理道德之考量
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雖然人類胚胎幹細胞技術已被發展成功，但由於此技術牽涉到人類胚胎之利用，其所引發
之倫理爭議不下於一九九七年桃麗羊複製技術成功時，世人之憂慮。由於美國聯邦政府之規定（一九九五年國會通過），禁止政府經費支助人類胚胎之研究和應用，
故上述Dr.JohnGearhardt和Dr.JamesThomson之研究經費均來自一傢俬人的生技公司（GeronInc.）。當此二篇研究報告
刊出後，的確引起社會和科學界不小的騷動。美國各大小報，甚至連CNN均引述專家的話，言此技術可解決人類所有器官短缺和移植的問題。由於幹細胞的確可能
具有無限的研究和應用之潛力，美國國家衛生研究院（NIH）院長特別於一九九九年一月二十八日和一九九九年四月二十一日，召開二次公聽會說明幹細胞的發展
經過和其可能之應用發展，最重要的是對目前學術和產業界之衝擊，若政府不加以規範並適當支助和輔導，很有可能美國在進入公元二千年後，整個生物技術和生命
科學龍頭寶座將立刻易主。
目前美國DepartmentofHealthandHumanService裁定人類胚胎幹細胞不受一九九五年之禁令約束，但為了規範人類幹細胞之研
究可能會觸犯人類倫理即衍生之社會問題，美國前總統柯林頓另要求NationalBioehticsAdvisoryCommission對此議題進一步
研究，以達到科學和倫理之兼顧。此委員會隨於一九九九年九月公佈人類幹細胞研究之倫理規範
（EthicalIssuesinHumanStemCellResearch），表示人類幹細胞之研究和對將來可能可以解決目前許多醫療上之疾病，均有
及重大之意義和貢獻，我們不該因許多未知甚至尚未完成之生命而犧牲或忽略更多目前已在受苦之生命，其可能可以獲得改善之權力。在此規範書中對於幹細胞之來
源和取得，有明確之要求，研究人員利用政府經費僅適用於合法墮胎後或不孕症治療後欲銷毀之細胞。對於僅為了幹細胞之取得而進行之人工受孕胚胎或體細胞複製
技術製造者，則絕對禁止。另胚胎細胞不可有買賣行為，亦不可針對捐獻者之要求僅醫治特定之病患等等，對於研究人員和研究機構均應有相關之倫理規範委員會進
行審核此類研究。
然今年一月布希政府接手後，已緩議了所有有關人類胚胎幹細胞研究之審議，原則上聯邦政府經費仍禁止用於此類技術之開發。相較於美國，英國國會則是大幅開
放英國研究人員之限制，基本上除不可進行複製人外，幾乎沒有其他限制，僅靠研究人員良知和科學界的自律約束。 |
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參考文獻
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