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50年前一群加拿大科學家在研究輻射對人體的影響時,無意發現了骨髓中含有幹細胞(stem cells),而後來了解到造血幹細胞對身體提供了一個終身的血液供應功能,這一發現提供了所謂幹細胞療法----即利用健康者的骨髓幹細胞治療遺傳性血液疾病和白血病患者骨髓移植的方式。 

隨著相關研究陸續發現,身體中除了骨髓外,幾乎所有的身體組織,包括心臟,大腦,牙齒和腸道,均含有組織特異性幹細胞(tissue-specific stem cells)。這些幹細胞的功能是修復或再生,修補不斷被一般磨損而損壞的組織或老化的細胞,例如:取代正在脫落的腸道內壁,或不斷產生新的血液細胞。此等特定組織幹細胞也被稱為成人幹細胞(adult stem cells),因為他們在成人組織中被發現。這些成人幹細胞與只發現在胚胎之胚胎幹細胞(embryonic stem cells, ES)不同。
 
幹細胞有兩個獨特的特性,可用以區別於其他體內之細胞,例如如心臟肌肉細胞或神經細胞。首先,他們可以在實驗室中非常迅速地被繁殖以製造更多的幹細胞,其次,他們可以轉變成不同類型具有不同功能的細胞。而胚胎幹細胞和成人幹細胞之間的關鍵區別在於,胚胎幹細胞可以變成任何類型的細胞,而組織幹細胞,則限制在特定細胞(如心臟,神經,血液等)。
 
因此,或許可以舉例來說,如同新出生的嬰兒有可能變成律師、醫生或建築師,而作為一個成年人其選擇則受到較多的限制。骨髓幹細胞能形成血液細胞,但無法變成神經細胞,而在心臟的幹細胞可以形成心臟肌肉和血管,但無法形成皮膚或神經等細胞。相較之下,藉由骨髓幹細胞轉化成血液細胞可較完美地用於治療血液疾病治療,但卻不能用於治療神經系統疾病。而胚胎幹細胞在理論上,可以被用來治療任何疾病。
 
人類胚胎在實驗室中為了治療不孕的夫婦而被人工產生,其中過剩的胚胎被銷毀、冷凍供日後使用,或可捐贈作為知情同意之研究。胚胎幹細胞(ES)便是來自於這樣的捐贈胚胎,在受精後三到八天,當時胚胎看起來像是約100個細胞組成的球體。胚胎幹細胞具有極大的臨床潛力,因為他們可以在實驗室中大量產生完全相同的(identical)多達百萬個的胚胎幹細胞,理論上也可以很容易地轉換成任何類型的組織細胞。相較之下,雖然可以很容易從成人收集骨髓細胞,但要若要嘗試收集健康的心臟或腦組織,顯然是有問題的。正因為如此,目前,治療神經系統疾病,使用胚胎幹細胞是較為可行的方式。例如在加利福尼亞州的生物技術公司Geron公司已經成功利用人類胚胎幹細胞轉變成神經細胞,並正在測試這些神經細胞第一次用在治療脊髓損傷患者的安全性研究上。在英國則有另一家Reneuron公司也剛剛開始試驗,測試注射從胚胎組織所得之神經幹細胞,用於治療腦中風患者。
 
值得注意的是,幹細胞治療就像器官移植一般,病人的免疫系統會排斥外來的細胞組織。因此,實行骨髓移植時,捐助者和病人必須先做配對實驗。目前全球骨髓庫(Bone marrow donors worldwide,BMDW)已簽署有將近1千八百萬的捐助者,雖然每年仍有患者死於他們無法找到合適的配對,但這份成就無異是偉大的。全球骨髓庫係於1988年成立,由歐洲血液骨髓移植團體(European Group for Blood and Bone Marrow Transplantation)所發起,分別在荷蘭,英國,法國,德國,意大利,比利時,奧地利和美國開始簽署登記,它現在由代表來自45個不同國家的64個登錄單位(registries)所組成。而台灣則在1993年臺大醫院將當時收集的捐髓血液樣本轉到慈濟,成立台灣第一座骨髓捐贈資料庫,,命名為「慈濟基金會台灣骨髓捐贈資料中心」,1995年慈濟骨髓捐贈中心邁向國際化,與香港骨髓捐贈中心簽訂連線合約,次年又與美國、澳洲及新加坡骨髓捐贈中心電腦連線,從此,亞裔血液病患,只要向這些國家其中一個資料庫提出申請,即可獲得最迅速的協助。
 
除了骨髓捐贈者外,BMDW尚包括冷凍臍帶血登錄的詳細信息,因為骨髓中的造血幹細胞訊息與臍帶血基本上相同。雖然臍帶血中的幹細胞的絕對數量少於從成人骨髓中可收集者,但對於一個小於8歲的小孩子(體重小於20公斤)來說,一般仍含有足夠之幹細胞可供作骨髓移植。最近臨床醫生認為,結合兩單位臍帶血可能即足以供給一個成年人的骨髓移植。台灣血液基金會於1998年也成立台灣第一座公益臍血庫,因經費及場地限制,於民國93年6月停止收集,目前保存2,142例臍帶血,期間提供查詢達452例,實際成功供應2例。
 
臍帶血有超過骨髓的一些主要優勢,包括:來源容易、再生力強、低排斥及組織相容性強等,因為它是冷凍儲存,從而可以解凍立即使用,並且無須耗費時日,尋找一個合適的捐贈者以完成移植。目前已累計有將近50萬個臍帶血登錄在BMDW,因此考慮繼續增加臍血數目是有必要的,特別在黑人和少數族裔的捐助者方面,因為遺傳多樣性,致使找到合適的機會大大減少。
 
另一種類型具有巨大的臨床潛力的成人幹細胞,被稱為間質幹細胞(mesenchymal stem cell,MSC),骨髓間質幹細胞可以在脂肪和骨髓中發現,因此可以很容易地從捐助者取得利用於幹細胞療法。間質幹細胞可以轉化成骨骼,軟骨,肌腱和肌肉,因此對於骨科傷害治療是非常寶貴的,例如,可加速斷骨的癒合或恢復或更換關節炎患者軟骨。在2008年有一具里程碑意義的病例,從患者自身的骨髓間質幹細胞被收集用來生成一個新的病人氣管,病人克勞迪亞摩納哥,由於受到結核菌感染引起的阻塞性氣管炎(或氣道之疾病),導致有嚴重的呼吸問題,在這種情況下,科學家在實驗室中將間質幹細胞轉化成軟骨,然後接種到支架(scaffold)上,該支架係由捐贈者氣管經過一系列洗滌處理去除體細胞,只留下一個正確的尺寸的半透明結構,以適合於病人,由於使用自體幹細胞,因此沒有排斥問題產生。這一革命性的新療法,結合了包括西班牙,英國和意大利的科學家和醫生合作而成。雖然幾個移植個案已成功地完成了,但新的方向在於簡化這一過程,例如,使用新型生物材料製成的支架,以避免需要器官捐贈而供不應求。另外有其他科學家正在研製這種方式,不過其目的在於挑戰生成整個器官,例如在實驗室中生成整個完整的心臟或肺臟。
 
從幹細胞骨髓移植的成功案例,很顯然其他成人幹細胞將很有希望具體地臨床應用於未來,然而,沒有證據支持這些成人幹細胞(例如,從臍帶血,脂肪或牙齒的)可以用來治療所有疾病的概念。
 
再生藥理學(Regenerative pharmacology)是使用藥物刺激人體自身的組織幹細胞的活性,從而促進修復。因此,我們可以預見,這種策略可能會奏效,用以加快骨折癒合或心臟病發作後促進組織再生。但是,目前對於這種藥物的方法是否有效仍不明確。
 
近年日本科學家山中(Yamanaka)利用分子生物技術,將四個特定基因崁入正常皮膚細胞,轉換成具有幹細胞的特性,被稱為誘導性多能幹細胞(induced pluripotent stem cells, iPS細胞),這種技術通常被稱為再編程(reprogramming)。這項發現一方面解決了利用胚胎進行幹細胞研究的道德爭議,另一方面也使得幹細胞研究的來源更不受限,這一突破性的發現以來,世界各地的許多其他實驗室已成功地重新規劃了一系列的組織細胞,將它們轉換成幹細胞。這項技術的主要應用將使先前難以模擬實驗的特定疾病獲得更深入的了解。例如,將有可能採取與帕金森氏症患者的皮膚細胞,重新編程生成iPS細胞,然後變成神經細胞的iPS細胞。這樣科學家可以研究從健康捐贈者和帕金森氏症患者的神經細胞,因此可以釐清該疾病的分子變化。
 
幹細胞生物學的最後一個重要的應用,在於人體細胞可用於大量在製藥行業中的毒性試驗用途。目前無法獲得大量的人類心臟或肝細胞用於藥物試驗。相當多的藥物開發,在進行第I期臨床試驗時面臨失敗,即造成了相當大的財務損失。如有用於測試藥物安全的幹細胞生成的肝臟和心臟細胞,對於製藥行業的毒理試驗是重要的,除此之外,對於可能增進對疾病的理解以開發新型療法,以及早期毒性試驗將有助於開發更安全的藥品等優點。基於這些原因,幹細胞科學,無疑將在未來對醫療保健具有巨大影響。
摘譯者:台灣血液基金會業務處長 林敏昌
資料來源:Sara Rankin, Professor of Leukocyte and Stem Cell Biology at Imperial College  
      London's Faculty of Medicine10 January 2012
建檔單位:台灣血液基金會    建檔者:系統管理者(R)
最新更新時間圖示 最後更新日期:2012/2/21 上午 08:47:59
上架日期時間圖示 上架日期與時間:2012/2/21 上午 08:46:00
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