回顧2007年幹細胞研究的重大突破

轉載自：http://www.sciscape.org/news_detail.php?news_id=2314
Dec 31, 2007 編輯 Jun-An Chen 報導

2007年是幹細胞研究成果光芒四射的一年，在倒數邁入2008年前，讓我們來回顧如何從胚胎幹細胞的點石成金術進一步應用到量身訂作一個私人之幹細胞庫的驚奇過程!

胚胎幹細胞因為具有分化成所有體細胞的全能性，因此是目前最被看好具有潛能來應用治療各種難纏的神經退化性疾病以及糖尿病的明日之星。雖然胚胎幹細胞的臨床應用被寄予厚望，但是實質治療成功的病例卻是屈指可數。主要的原因是因為以胚胎幹細胞作為臨床治療有兩大艱鉅的任務必須克服: 一. 因為胚胎幹細胞具有分化的全能性，所以如果直接把胚胎幹細胞注射至病患的身體裡，這些幹細胞同樣也有潛能會分化成癌細胞。因此，直接用胚胎幹細胞來治療病患是具有相當高的風險。另一比較合理的方式，應該是先限制胚胎幹細胞的分化潛能，然後再把它們注射至受損的器官或組織。所以，如何先把胚胎幹細胞在培養皿裡誘導成為特殊器官的前驅細胞 (precursor)就變成一項重要的課題。 二. 即使胚胎幹細胞已經先被適當地誘導成為特定的前驅細胞，但是如果這些前驅細胞注射至病患的體內，因為這些前驅細胞不是病患自身的胚胎幹細胞所衍伸出的細胞，自然會被病患本身的免疫系統所排斥。因此，如何騙過免疫系統而讓前驅細胞能在受損的器官裡取代退化或死亡的細胞，是臨床治療最難也最具挑戰性的燙手山芋。

要騙過免疫系統最好的方式就是使用病患自身的胚胎幹細胞。但發育成長是一條 無法回頭的單行道，要如何能取得一個成人的胚胎幹細胞呢?目前有兩種可行的方式: 第一種方式是使用俗稱的治療性複製 (therapeutic cloning)，也就是利用體細胞核轉移 (SCNT)的技術，先將捐贈者的卵子DNA移除或破壞，再將病患本身的體細胞DNA微注射至卵子裡，最後再從這些卵子分裂得到的囊呸裡分離出為病患量身打造的胚胎幹細胞。這項技術原本是由南韓的黃禹錫研究團隊獨步全球， 但黃禹錫最後卻被爆料捏造實驗數據，使得人類治療性複製的技術是否可行回歸到重新競爭的原點。不過，今年在美國奧瑞岡的 Shoukhrat Mitalipovu研究小組為這項技術做了一個新的強力背書。他們從恆河猴 (Rhesus Macaque)的皮膚細胞， 利用體細胞核轉移的方式複製出胚胎幹細胞，雖然複製的效率還是極低 (304個卵子只有35個會分裂成囊呸，最後也只能成功地從這些囊呸裡分離出兩個胚胎幹細胞株)(1)，但這卻是治療性複製首度被證明在靈長類動物是可行的。未來如何將這項技術應用在人類的身上和提高體細胞核轉移的成功率，將是為病患訂做胚胎幹細胞最具挑戰性的關鍵技術。

不過，除了治療性複製外，取得成人胚胎幹細胞還有另一項可行的替代方案，就是將體細胞 ”返老還童”變成胚胎幹細胞。這項聽起像天方夜譚的技術竟然在今年獲得重大的突破！2006年時，日本京都大學山中伸弥（Shinya Yamanaka)發現只需要將四個基因 −Oct3/4, Sox2, c-Myc, Klf4− 送入已分化完全的小鼠纖維母細胞，即可以把纖維母細胞重新設定變回具分會全能性的類胚胎幹細胞。他們將這種 ”返老還童”的重新設定細胞稱之為”誘導式多能性幹細胞” (induced pluripotent stem cells, iPS cells)(2)。今年山中伸弥的研究小組和美國波士頓的 Rudolf Jaenisch的研究團隊又分別製造了第二代改良的 iPS細胞。第二代 iPS細胞不但具有和胚胎幹細胞幾乎一樣的基因印痕 (imprinting)模式，它們也可順利地和成鼠形成嵌合體並產生後代(3)。這項結果顯示藉由老鼠體細胞 ”返老還童”的第二代 iPS細胞已經跟胚胎幹細胞幾乎是具有一模一樣的特質了!

自從山中伸弥這項石破天驚的論文發表後，全世界最頂尖的幾個幹細胞實驗室陸續投入這項 iPS細胞的研究熱潮。當然大家都搶破頭競爭看誰能先把這項技術應用到人類身上。距離第二代 iPS細胞發表不到半年的光景，今年十一月山中伸弥的研究團隊再次完成不可能的任務。他們成功地利用−OCT4, SOX2, c-MYC, KLF4−基因導入人類皮膚細胞病將其成功地轉變成 iPS細胞(4)! 同時，美國威斯康新的 James Thomson研究團隊也發表利用OCT4, SOX2, NANOG, and LIN28也可以將人類體細胞重新設定變回幹細胞(5)！如果能將病患的 iPS細胞適當地誘導成為特定細胞（如胰島細胞或運動神經元)再移植回病患體內，如此就相當有可能可以巧妙地騙過免疫系統的攻擊了！這兩個實驗結果實在是太震撼生物醫學界，科學界的兩大龍頭期刊 ”自然“和“科學“分別將這項研究列為本年十大重要發現之一，時代雜誌甚至將這項實驗結果列為2007年重大發現之首!

雖然如此，這項胚胎幹細胞的點石成金術也是有高風險存在。因為c-MYC本身就是一個致癌基因。另外，以反轉錄病毒傳送基因到細胞裡也有臨床使用上的安全顧慮。不過山中和 Tomoson的研究結果似乎透露著唯有 OCT4和 SOX2是點石成金術的關鍵基因，其他基因可能只有扮演輔助的角色。果不期然，山中的研究團隊繼續製造驚奇！他們以不到一個月的時間，近一步發表不用c-MYC也可以製造新一代的 iPS細胞，而且沒有c-MYC的 iPS細胞的品質似乎更好也更穩定(6)!

今年可說是幹細胞研究成果光芒四射的一年，但這個幹細胞點石成金的傳奇就這樣結束了嗎? 答案當然是否定的! 為何呢？因為2008年尚未到來，“自然”雜誌就在耶誕節前夕在網路上預先刊登美國波士頓的 George Daley實驗室已經能利用山中伸弥建立的技術，從病人門診時取得的皮膚細胞量身訂作一個私人的幹細胞庫，讓 iPS細胞用來治療人類退化性疾病已經邁入真正的臨床新紀元了！相信2008年，幹細胞的研究還會繼續為人類帶來無限的驚奇，就讓我們一起拭目以待!

原始論文:

1. Byrne, J. A. et al., Producing primate embryonic stem cells by somatic cell nuclear transfer. Nature 450 (7169), 497 (2007).

2. Takahashi, K. and Yamanaka, S., Induction of pluripotent stem cells from mouse embryonic and adult fibroblast cultures by defined factors. Cell 126 (4), 663 (2006).

3. Meissner, A., Wernig, M., and Jaenisch, R., Direct reprogramming of genetically unmodified fibroblasts into pluripotent stem cells. Nat Biotechnol 25 (10), 1177 (2007); Okita, K., Ichisaka, T., and Yamanaka, S., Generation of germline-competent induced pluripotent stem cells. Nature 448 (7151), 313 (2007).

4. Takahashi, K., Okita, K., Nakagawa, M., and Yamanaka, S., Induction of pluripotent stem cells from fibroblast cultures. Nat Protoc 2 (12), 3081 (2007); Takahashi, K. et al., Induction of pluripotent stem cells from adult human fibroblasts by defined factors. Cell 131 (5), 861 (2007).

5. Yu, J. et al., Induced pluripotent stem cell lines derived from human somatic cells. Science 318 (5858), 1917 (2007).

6. Nakagawa, M. et al., Generation of induced pluripotent stem cells without Myc from mouse and human fibroblasts. Nat Biotechnol (2007).

7. Park, I. H. et al. Reprogramming of human somatic cells to pluripotency with defined factors. Nature. Advance online publication 23 December 2007 doi: 10.1038/nature06534