幹細胞（Stem Cells）研究的希望和隱憂

幹細胞 (Stem Cells) 研究的希望和隱憂
知識通訊評論第80期

多潛能幹細胞小鼠

生物醫學領域幹細胞研究，近年產生許多極其驚人的發展，挑戰了許多生物學的金科玉律。這一方面顯現我們對生命現象認知的不足，而另方面白熱化的相關技術發展競賽，卻也透出了隱憂。

二○○七年春天，山中伸彌(Shinya Yamanaka)認為他在一場科學競賽中篤定拔得頭籌。不到半年前他展現了一種技術，證明能將普通的身體細胞變成類似老鼠的胚胎幹細胞。他的研究成果有人肅然起敬，有人表示懷疑。沒有人相信一個細胞可以這麼容易調弄，只植入四個胚胎基因，就可以使它重設程式，成為一個能製造任何身體組織的細胞。

山中知道他一定要更進一步，才能使人信服這些細胞真的是具有多潛能的，可以變成任何形態的細胞，包括精子或卵子細胞，從而生出新一代的動物。因此在二○○七年六月六日，他發表其改良版的技術，顯示這些「經過誘發的多潛能幹（iPS）細胞」確實能做到這一點，但他沒想到，另有兩個實驗室竟然在同一天也宣佈他們已達到同樣的成就。山中回想說，「那是在我們第一次發表之後不到十個月的事，所以我們非常非常驚訝，也非常非常惶恐。」

二○○六年年中創立iPS細胞研究領域之後，驚恐就是他習以為常的感覺。當時的這個領域，只有他和他在日本京都大學的實驗室。嗣後，美國麻州康橋的阿德基因（Addgene）公司就接獲一千多個實驗室要求，提供六千多份有關重設程式的載體。二○○八年，美國哈佛大學與加拿大多倫多及日本京都大學，聯手建立了專為iPS細胞研究的整體設施。到了二○○九年，研究人員希望這個領域能進展更快、更有競爭力，單單三月這一個月裡，就有四篇論文發表在《自然》、《細胞》、《科學》等雜誌，發表在基因重設程式技術方面更精進發展的報告。

山中伸彌(Shinya Yamanaka)展現了一種技術，證明能將普通的身體細胞變成類似老鼠的胚胎幹細胞。

這種拼勁是可以理解的，因為iPS細胞幾乎可以做所有胚胎幹細胞能做的事，包括細胞療法、藥物篩選、疾病倣製等等的潛力，卻又沒有道德倫理以及技術方面的包袱。英國薛斐爾德大學的幹細胞學者安德魯斯（Peter Andrews）說，早期人類胚胎幹細胞的研究只限於能取得人類胚胎的科學家，而iPS技術的發明 ，「為所有有能力的分子或細胞生物學者打開了一片天。」

雖然自從一九八一年分離出老鼠的胚胎幹細胞，到分離出人類的胚胎幹細胞，一共花了十七年時間，在iPS細胞方面，這個過程只花了不到半年的時間。雖然研究幹細胞的學者還不能製造出跟病人相倣的人類胚胎幹細胞，但在iPS細胞方面卻已後發先至，以糖尿病、亨丁頓氏舞蹈症、肌肉萎縮症等病人的細胞，複製出他們的iPS細胞了。

生物學者現在爭相達成的下一個目標；是可展現很多很多病症iPS細胞，而且是以更安全、更有效率的方法複製它們。美國麻州康橋懷德海生物醫學研究所胚胎幹細胞及iPS細胞的傑出研究者吉尼許（Rudolf Jaenisch）說，「這種情形不太健康，熱過頭了，實驗室裡的人天天都在拼獨家新聞。」這意味大家急於發表還不夠成熟的研究結果，而且不願與人分享。每個人做的工作都十分類似，因此提出的報告都有所保留。

美國加州史奎普斯研究所再生醫學中心主任羅玲（Jeanne Loring）說，這個領域有忽視重大問題之虞，像基因重設程式運作的機制，以及重設程式的細胞究竟能做什麼治療工作，都是問題。她說，製造細胞不是最終目的，如果不告訴我們一些新的事物，這些細胞就毫無價值可言。

說到研究和治療人類的疾病，iPS細胞的潛力遠比胚胎幹細胞大。他們終將找到一種方法，從病人身上取得細胞，經過處理之後，把它們變成有療效的細胞，植回病人體內，而不致產生排斥的問題。

加州史奎普斯研究所再生醫學中心主任羅玲說：如果不告訴我們一些新的事物，製造細胞就毫無價值可言。

研究人員已將取自漸凍人、脊髓性肌肉萎縮症等神經退化病人身上所製造出來的iPS細胞，轉換成神經元。在老鼠身上，他們進一步做出血液和神經細胞，用來改善老鼠的鐮狀細胞性貧血症和帕金森症。對於想研究腦部或心臟疾病的研究人員而言，這樣的細胞非常珍貴，因為他們無法從活體切片或解剖屍體取得足夠的組織做實驗。取自病患的iPS細胞則可源源不絕的供應，並且可以在培養皿中研究疾病的進程。

全面幹細胞

但在頭兩年裡，研究人員滿腦子都在想改進製造iPS細胞的技術。山中伸彌實驗過二十幾個胚胎幹細胞的基因後，才找到四個蛋白質（c-Myc、klf4、Oct4、Sox2），可以重設成人細胞的程式，方法是利用一個病毒將整組基因置入其中。

雖然一個細胞有多潛能性會使這些基因的活動力降低，但它們的加入似乎會使細胞變得比胚胎幹細胞不可預測，而且較危險。例如，將以癌症基因c-Myc重設程式的細胞置入老鼠胚胎，就會使老鼠得到致命的腫瘤。山中伸彌還提出尚未發表的研究指出，即使重設程式的細胞沒有用c-Myc，但以這種細胞生出來的老鼠壽命也會比較短。

因此研究人員不斷發表他們所發展出來較安全、較有效的重設程式技術。

研究人員的目標是重設程式細胞，但不使這些基因進入遺傳基因組，以免造成破壞。三月間吉尼許領導的一個，曾發表了可將完成任務的重設程式基因刪除的技術。三個星期後，美國維斯康新大學的湯姆森（James Thomson）及其同事在《科學》雜誌發表報告，他們可以完全不需要置入任何遺傳基因，就能重設程式製造人類細胞。他們運用稱為細胞質體、不會和染色體整合的DNA環，將多潛能基因置入細胞。

重設程式技術發展圖

如果這些細胞不能告訴我們一些新的事物，就毫無價值可言。
——–羅玲

但科學家希望精益求精，他們擔心的是重設程式可能推擠目前正常的細胞，使其變成病態。史奎普斯研究所的化學家丁勝說，重設程式的過程會禁止抑制腫瘤的通路，而活化致癌通路，也會干擾細胞控制基因活化機制的程序。他說，細胞承受的是非常強制性的情況，大家都避而不談其中隱藏的問題。

丁勝等研究者努力的方向，是改進轉換多潛能性的技術。他們發現加上類似藥物的分子，或由某些細胞形態著手，可使重設程式用到的基因形態和複本都較少，同時還能增進重設程式的速率。許多研究人員都預期，到今年底，將可看到種種製造iPS細胞的技術，完全不需要加入重設程式的基因，只要用小分子和蛋白質的組合。

湯姆森說，即使這樣仍不足以確保這些細胞可安全的用來治病。任何重設程式的技術，都難免產生突變和無法確定的基因外觀變化的風險。他說，無論是用化學或遺傳學的方式，都要很仔細檢查產生出來的整組基因。山中伸彌也表贊同。他說，一般人都認為以極少甚至全無遺傳因子、以化學物質製造的iPS細胞，應該比較安全，但他並沒有十足的把握，還是要一一測試。改進製造方法固然重要，如何評鑑製造出來的iPS細胞卻更重要得多。

研究人員期望幹細胞的研究會轉向這方面評估的努力。美國哈佛幹細胞研究所的侯契陵格（Konrad Hochedlinger）說，現在最重要的是比較各種方法，然後採行運作得最好的那一種。什麼叫「最好的」可依用途而定。

攜手共進

研究人員也想對各iPS細胞互相比較，並與胚胎幹細胞相比。胚胎幹細胞被視為黃金標準，這方面的研究已有十年以上的時間，它們的共同來源都是胚胎，在大多數科學家看來，它們的變數比衍生自不同組織形態的iPS細胞少。吉尼許在他最近發表於《細胞》雜誌的一篇報告中指出，他分別描述將置入的外加基因剪掉之前和之後人類iPS細胞的特徵，含外加基因的細胞有兩百七十一個與胚胎幹細胞不同的基因，不含外加基因的話，數目就驟降為四十八個，沒有人知道其中的原因。

吉尼許說，有很多道聽途說的證據說iPS細胞就是不如胚胎幹細胞，跟胚胎幹細胞不一樣，但這些說法都未經正式發表。iPS細胞可能本質上就是獨特的，因為它們不是來自胚胎，但或許它們之所以跟胚胎幹細胞不一樣，是由於目前製造它們的方法不夠完備的關係。

除非在這個領域維持一個標準，否則文獻裡的界線就模糊不清了。
—–達立

研究人員對於如何評鑑iPS細胞仍未達共識。最嚴格的測試就是將重設程式的老鼠細胞插入一個胚胎，然後植入一個充當代理孕母的老鼠體內，讓生下來的老鼠長大，看看重設程式的細胞是否會製造能生出健康後代的精子或卵子。若能產生一個嶄新的胚胎，就表示原始細胞的生物環境已重設成功。

但這樣的測試不可能用在人的身上，所以標準的化驗法是，借用人類胚胎幹細胞，注入免疫系統被抑制的老鼠體內，等待六到八個星期，看看這些細胞是否會形成畸胎瘤。自然發生的畸胎瘤會長成一個由包含毛髮和骨骼等分化組織所形成的腫塊，但是要認定植入細胞的iPS細胞，研究人員只要看看分化細胞形成的腫塊是否具備所有主要的組織即可。研究人員說，就外觀和表面遺傳標記而言，看似已經完全重設程式的細胞，但還是沒能形成畸胎瘤的情形並不少見。

有些研究人員認為，可以稱之為iPS細胞，就應該顯示它有形成畸胎瘤的能力。幹細胞領域的一位領袖人物，波士頓兒童醫院的達立（George Daley）說，除非在這個領域維持一個標準，否則文獻裡的界線就模糊不清了。特別是這個領域還初起步，技術仍在發展之中，只因為表現出胚胎幹細胞的某種典型遺傳標記，就說那是iPS細胞，是很「危險」的。每一個具有一點主幹性質的細胞都可稱為iPS細胞，那麼這個名稱就會喪失其可信度了。

波士頓兒童醫院的達立（George Daley）說，除非在幹細胞領域維持一個標準，否則文獻裡的界線就模糊不清了。

安全至上

但在某些情況下，如果一個細胞株可以造成各種各樣的細胞類型，也不妨事。例如，不會造成畸胎瘤的iPS細胞可能很會製造肝細胞，而更適於倣製肝病，在臨床上也較安全。加拿大安大略iPS細胞研究設施的史丹福（William Stanford）說，何況畸胎瘤的化驗也很昂貴。他的研究團隊正就多倫多病童醫院的病患取樣，發展特定疾病的細胞株，他們已料定取得可供進行重設程式的樣本，會比發展細胞株需要的資源多。

他說，他們討論過是要少做一些細胞株，然後對每一個細胞株都做畸胎瘤測試，還是要多做一些細胞株，結果他們決定選擇後者。他們將以基因所顯現的特質，以及分化初期的試管實驗，評估重設程式細胞的多潛能特性，但進一步的特徵描述將交由後來使用這些細胞的各實驗室自己去做。

除了自行評估iPS細胞之外，研究人員也想看iPS細胞衍生出來的特殊細胞形態的嚴格長期評鑑，這些特殊細胞可用於細胞療法、藥物篩選或其他的用途。吉尼許說，由於分化細胞的同質樣本很難取得，還沒有人發表過這類形態的評鑑。但要篩選藥物或倣效疾病，研究人員就必須確信從iPS細胞取得的神經元或心肌細胞，像原本腦部或心臟的細胞一樣，會繼續老化，發生病變。如果用於細胞療法，他們要確定這些細胞是很穩定的，而且不含可能產生腫瘤的殘留iPS細胞，胚胎幹細胞同樣也要做這種致癌可能性的評鑑。

儘管經過這一些的評鑑，iPS細胞要進行臨床使用還面臨嚴格的層層關卡，要讓主管機關相信，其風險低到可以接受程度，引進的細胞真的能在病患體內存活，增進病變腦部或胰臟的功能。

人類胚胎幹細胞歷經了十幾年時間，今年一月才獲准進行臨床實驗。iPS細胞無需做遺傳學上的修正即可製造出來，因此過程會快得多。山中伸彌認為三、四年之內，即可廣泛用於藥物篩選和毒性試驗，希望十年內看到臨床實驗。

規範趕不上IPS的研發競賽

這些工作可能有很多會由商業公司去做，事實上有些已在進行之中。舊金山iZumi Bio生技公司不願透露太多消息，僅表示目前該公司的工作重點在藥物測試，而非細胞療法。該公司和威斯康辛校友研究基金會等，已申請iPS細胞及其製造技術的智慧財產權。柏克萊法商經濟中心主任泰摩爾（Ken Taymor）說，隨著陸續發表的製造法數目的越來越多，iPS細胞智慧財產權的狀況會比人類胚胎幹細胞的複雜許多。

科學界的情況亦然。生物學者一向以為，一種特定的細胞形態一定要還原回像胚胎似的多潛能狀態，才可以轉變成另一種特定細胞。但近來的實作顯示，可以略過多潛能狀態階段，直接由某一種細胞形態跳到另一種形態去。哈佛大學的發展生物學者梅爾頓（Doug Melton）去年就做到這一點而令人刮目相看，他的研究顯示，胰臟的細胞如果插入額外的胰臟基因，就會具有製造胰島素的Ｂ細胞的外觀和功能。

在此之前，技術當道，大家講的都是技術問題，現在已經注意到有意義的問題了。
——吉尼許

ISP的技術可避免胚胎幹細胞的倫理問題。

無論重設程式是「倒退」或「旁岔」進行，科學家都想了解它是怎麼發生的。對許多知名的科學家而言，這個問題就是促使他們當初投入iPS細胞領域的首要原因。山中伸彌說，如果沒有一九五○年代藉細胞核轉殖技術進行青蛙的無性生殖，和一九九六年複製桃莉羊的成功案例，他不會想去作基因重設程式的實驗。

以前有人認為基因的作用是不可逆的在鈍化，甚至在細胞發展進程中就被刪除掉了。但是由一個成年羊的細胞複製出來的桃莉顯示，即使在特定的哺乳動物細胞中，其基因仍完好如初，經過處後還可以重新啟動。

粗糙規範

研究人員了解基因重設程式的梗概。細胞先鬆解染色質，即DNA及蛋白質的糾結，然後重組外觀遺傳標記，使特定細胞中活動的基因沉靜下來，讓胚胎幹細胞中活動的基因開始作用。它們召集一大堆蛋白質轉變細胞的機制，由某一種狀態變成另一種狀態。但這些步驟是怎麼樣以及什麼時候發生的，仍不清楚，這是研究人員希望iPS這個領域在發展過程中應特別關注的一個問題。侯契陵格說，有了iPS細胞，你可以問基因重設程式到底是如何運作的，這個問題已經提出五十年了，但到現在還沒有理出頭緒。

但從iPS細胞入手不見得就容易解決這個問題。首先，分離出合宜的細胞很困難，要製造iPS細胞，在一千個細胞中能成功重設程式的不到一個，有的細胞即使其多潛能性基因很活躍，但還是陷於分化的狀態。加州大學洛杉磯分校的細胞生物學者普蕾絲（Kathrin Plath）說，問題在於我們沒有中間狀態。她正在以基因表現和細胞形態學研究一組子集合細胞，它們似乎是卡在完整重設程式的半途中。她說，重設程式不完整的細胞看起來都很類似，但誰也不敢說它們真的是實際重設程式過程的中間產物，或者是誤入歧途者。

ISP對心臟或腦部研究格外珍貴。

了解基因重設程式的過程不只是一個學術問題。了解一個細胞的各種狀態，以及如何從某一種狀態轉變成另一種狀態，這方面的知識也有助於研究人員
精進其技術，使細胞能安全的度過改變狀態的過程，並製造出他們希望有治療用途的細胞形態。

看過其他也曾紅極一時生物領域（例如重組DNA及RNA干擾）的研究人員，預料iPS細胞領域狂熱的步調和競爭可能將盛極而衰了。洛杉磯南加大幹細胞及再生醫學研究所所長培拉（Martin Pera）預料；一窩蜂投入重設程式技術的現象將會過去，科學家將分別轉進特定病症形態或更基本的問題上。他說，這個領域會趨向分工合作。

無論是否合作，這一場iPS競賽正朝向一個新的、也許更知性的階段。吉尼許說，在此之前，技術當道，大家講的都是技術問題，現在已經注意到有意義的問題了。最具挑戰性的問題就是生物問題。