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中研院團隊發現肺腺癌的腫瘤幹細胞 提供肺癌治療新的思考方向

活躍星系核_96
・2012/01/05 ・1282字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 612 ・十年級

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電腦斷層掃瞄,經立體重建影像所見的肺腫瘤。圖片來自維基百科

全世界不論已開發國家或開發中國家,肺癌多年高居癌症死亡率第一位,台灣2010年則有4.1萬人死於癌症,其中20%死於肺癌;同時連續20年肺癌亦是台灣女性十大癌症死亡第一因。肺癌已然嚴重威脅人類健康。本院細胞與個體生物學研究所特聘研究員游正博博士所領導的幹細胞研究團隊,已經於KrasG12D突變基因所引發的肺癌裡鑑定出肺腺癌的腫瘤原始細胞(腫瘤幹細胞)。這項發現已於12月1日正式發表在國際期刊「癌症研究」(Cancer Research)上,未來將有助於發展肺癌治療的新方法。

研究團隊表示,肺癌主要分為兩種:小細胞肺癌(佔15%)、非小細胞肺癌(佔85%)。同時醫學界已經發現,非小細胞肺癌患者中有30%患者被診斷出其Kras蛋白的第12號胺基酸產生突變。此次,游正博特聘研究員團隊建立一個全新的肺癌老鼠模式,藉由分子轉換機制,得以開啟或關閉KrasG12D突變基因之表現,進而控制肺癌的形成與後續癌化的過程。這項由國立陽明大學微生物及免疫學研究所博士生之研究生卓煥傑所完成的老鼠肺癌模式,其鑑定出的「非小細胞肺癌」的腫瘤原始細胞,將對肺癌早期診斷及治療,提供新的思考方向。

研究團隊以透過餵食抗生素(Doxycycline)的方式,活化轉殖基因鼠之KrasG12D蛋白,獲得帶有肺癌腫瘤之老鼠並分析其腫瘤細胞。同時本團隊進一步使用特殊儀器與技術,分離並且高度純化兩種特殊的肺部細胞,分別為「氣管克拉拉細胞」以及「肺泡第二型細胞」。經過腫瘤轉殖實驗發現,大多數的惡性腫瘤細胞源自於「氣管克拉拉細胞」,因為經過KrasG12D蛋白活化的「氣管克拉拉細胞」,有能力同時在氣管與肺泡兩個地方生成二級腫瘤並且大量地散布生長在肺部區域。不僅如此,源自於氣管克拉拉細胞的腫瘤細胞在肺泡區域所生成二級腫瘤,除了表現原本氣管細胞之專一性蛋白- panCK,也會表現「肺泡第二型細胞」的特殊蛋白-proSPC。這些結果顯示,源自於「氣管克拉拉細胞」的腫瘤細胞符合腫瘤幹細胞之特性,不僅細胞能夠自我更新而且還能夠分化成不同的腫瘤細胞族群。

反觀「肺泡第二型細胞」的腫瘤細胞,由於與「氣管克拉拉細胞」同樣具有CCSP啟動子活性,因此也會形成一級腫瘤。但是源自於「肺泡第二型細胞」的二級腫瘤細胞較不惡性而且也無法明顯地分化成不同組織細胞,這些二級腫瘤細胞只能在肺泡區域生長而且大多數的二級腫瘤細胞並不表現panCK蛋白。由這些結果推測「肺泡第二型細胞」的腫瘤細胞不具有分化成不同腫瘤細胞族群的能力,因此「肺泡第二型細胞」並非肺癌的原始起源細胞

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游正博特聘研究員表示,源自於氣管的腫瘤細胞較為惡性的原因是由於其腫瘤細胞會開啟活化細胞生長與關閉抑制細胞生長的基因群組,根據這樣的特性亦可推測「氣管克拉拉細胞」為惡性肺癌之原始起源細胞。這個肺癌轉基因老鼠模式提供了一個分析惡性腫瘤的訊息傳遞資訊的平台,藉由這些資訊將有助於發展新的肺癌標靶藥物以及這類的肺腺癌腫瘤幹細胞之專一性治療藥物。

論文連結:Identification of Tumorigenic Cells in KrasG12D-Induced Lung Adenocarcinoma

本文由中央研究院公共事務組提供

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活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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肺癌治療不悲觀,精準抗癌交給基因檢測!
careonline_96
・2024/04/05 ・2556字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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給 每一位剛踏上抗癌路上的鬥士與戰友
精準醫療的發展,在肺癌治療發揮良好的成效,一旦診斷了晚期肺腺癌後,只要可以選用到對的藥物,病情就能得到很好的控制,在標靶藥物的治療過程中,病友也大多可以維持原有的生活品質,建議病友在治療的旅途中,積極面對,勇敢的對抗它,是最好的方式。若能持續穩定控制下去,後續就有更多的新藥,更多的機會。

——中山醫學大學附設醫院胸腔腫瘤科主任陳焜結醫師

肺癌進入精準醫療時代 基因檢測扮演重要角色

近年來標靶藥物已突破晚期肺癌的治療瓶頸,具有 EGFR 突變的晚期肺腺癌病友,一般來說使用標靶藥物就能夠發揮良好治療成效,可是仍是會有一小部分病友,對於標靶藥物有效的時間特別短,若是在出現抗藥後,建議病友可以接受次世代基因定序(NGS),就有機會找到可能的原因。陳焜結醫師分享一名病友,一開始吃標靶藥物沒有效,在根據次世代基因定序檢測結果調整藥物後,病情便穩定下來,治療至今已一年半,成效維持得很好。

肺癌治療已進入精準醫療的時代,基因檢測扮演非常重要的角色。陳焜結醫師說,如果基因檢測顯示病友具有 EGFR、ALK 等驅動基因,便可選擇相對應的標靶藥物,我們能夠讓對的病友,使用對的藥,就可以得到很好的治療成效,也是提升治療成效的重要關鍵。

在進行基因檢測時,現階段較常使用的方法是每次檢驗一個基因。陳焜結醫師表示,臨床上會從常見的 EGFR 開始檢驗,如果沒有 EGFR,再依序檢驗 ALK、ROS1 等基因。這樣的做法對健保而言,較有經濟效益,但可能較為耗時,因為每驗一個基因,病友就需要等待 1 週至 2 週的時間,且每次檢驗都必須使用一部分從腫瘤取下來的檢體,在經過多次檢驗後,就有可能出現沒有足夠的檢體可以使用的情況。

 標靶藥物未發揮效果或抗藥後 可利用次世代基因定序(NGS)找線索

而次世代基因定序(NGS)是透過大量篩檢基因的方式,雖然需要使用較多的檢體,但是一次可以檢驗多個基因,從送出檢體到收到報告,大概需要 2 週至 3 週,卻可以提供比較多的資訊,幫助調整治療策略。陳焜結醫師說,針對驅動基因使用標靶藥物後,大部分病友都很有效,但是約有兩成的病友在使用標靶藥物後,沒有發揮預期效果,這時候我們就可以從次世代基因定序中找到一些線索。

過去即遇過一些病友,明明有驗到 EGFR 基因,但是卻對標靶藥物沒有反應,且惡化很快。我們從次世代基因定序(NGS)裡發現,病友其實還有其他基因的突變,像是 MET 基因,於是加上 MET 抑制劑後,就得到很好的控制。此外,次世代基因定序(NGS)還有另一個用處,就是在癌細胞出現抗藥性、病情變化之後,醫師會需要知道是否出現新的基因突變,便需要用到次世代基因定序(NGS)。

初確診晚期肺癌的病友通常都會很徬徨,陳焜結醫師說,假如一位沒有抽菸的肺腺癌病友,利用健保給付進行幾項基因檢測後,都沒有發現驅動基因,則建議可以考慮做次世代基因定序(NGS),在找到所屬的基因突變後,接下來的重點則是了解病友的體能狀態,心臟、肺臟、肝臟、腎臟等器官功能,以及是否有糖尿病、高血壓等慢性病,再把整個治療計畫與病友討論清楚,協助病友開始進入治療,建立信心。

 她的故事 談自我照顧

 肺癌治療藥物種類多 沒有悲觀的需要

什麼是圓滿的人生?當生命走到盡頭,在天堂門口回憶一生時,幸福過,也為別人帶來過幸福,就沒有遺憾。電影「一路玩到掛」兩個男主角完成一件又一件的人生清單,最後都回歸家庭。因著罹癌,我發現過去沒有善待身體,沒有好好陪伴家人,罹癌讓我更看重家庭,增加與爸媽相處的時間。

2021 年 1 月,因為腰痠、腸胃不適和體重減輕,確診肺癌四期加上腦轉移,才 51 歲的我,簡直五雷轟頂難以置信。剛罹癌時,太太瞞著我逼問醫師還有多久的時間,醫師給了標準答案「3 到 6 個月」。從醫師口中被宣判掛點的我,卻在後來發生了兩件讓我感動到飆淚的事,一是透過基因檢測我們找到了對應的標靶藥物,二是未來有機會可以動手術。

了解疾病的走向與治療策略對病友有益,也會使人生出信心。一位心理科醫師把癌症比喻為身上的壞小孩,我們要想方設法把壞小孩變好,而不是想要把它趕出去,然後就是面對它、接受它、處理它、放下它。

我以前喜歡在外亂跑,熬夜晚睡經常外食,現在改吃原型食物,登山步道練體能提升肺活量,降低工作量,調整身體狀況。標靶藥物的副作用讓我的皮膚變得脆弱,洗澡時容易在鼻頭附近滲點血,甲溝炎大約一個月要找皮膚科醫師剪指甲,腹瀉時而出現,調養後次數減少,體重也慢慢回穩。

老天爺把門給關了,但留了一條縫給我,在病友社團裡學習到人生的意義,是愛和給予。提醒正在讀這封信的你,剛確診時情緒不免慌亂,為了調養身體就想把工作辭掉,我的勸告是「不要」,沒工作容易胡思亂想,少了經濟收入會成為日後治療的隱憂,最好先請假,治療穩定後回到職場,經濟穩定能建立自信心,對治療也很有幫助。

快樂掌握在自己手上,簡簡單單過生活,也能把生活過得有滋有味,生命中的受苦事件,會引導我們踏上有意義的旅程。治療肺癌的藥物很多,所以真的沒有悲觀的需要!

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精準定位一站式手術治療早期肺癌,術後留意免疫檢查點、提防復發風險
careonline_96
・2023/12/29 ・2664字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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針對能手術的早期肺癌,手術與術後輔助治療都是影響預後的關鍵,本次照護線上特別邀請三軍總醫院胸腔外科黃才旺醫師,公開解析手術重點、團隊照護以及術後輔助治療新突破。

近年國民健康署將肺癌低劑量電腦斷層 LDCT 納入成為我國第五癌症篩檢,目標透過低劑量電腦斷層 LDCT 早期發現肺癌,提升整體預後。三軍總醫院胸腔外科黃才旺醫師指出,近年來低劑量電腦斷層確實發揮成效,偵測到許多早期肺癌,能接受手術的患者人數也增加;同時,針對早期肺癌的手術與術後治療也持續發展,讓肺癌預後有不少提升。

精準定位切除微小病兆,一站式手術縮短手術時間、有效減少併發症

首先,透過低劑量電腦斷層偵測到的肺部腫瘤,普遍較小且呈現毛玻璃狀,在內視鏡手術下不易找到病灶,需於在手術前先立體定位腫瘤確切位置,才能精準切除。黃才旺醫師解釋,過去患者通常要先到檢查室進行定位,然後再進入開刀房接受手術,這樣的作法較為耗時,會增加運送、等待時造成病人氣胸、咳血的風險。

為了優化流程,三軍總醫院於 2018 年就開始執行一站式肺腫瘤立體定位手術。顧名思義,患者能在同一個手術房中,就完成立體定位與手術切除,黃才旺醫師說,一站式肺腫瘤立體定位手術能有效減少運送及等候的時間,降低立體定位後至手術之間,病人的焦躁不適感,也讓相關併發症(例如氣胸、血胸)出現的機率大大減少。

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目前三軍總醫院胸腔外科已累積大量經驗,約 10 分鐘內可完成立體定位、接續切除手術,定位切除手術成功率大於 9 成。

綠色通道全方位快捷顧及病患需求,跨科別團隊讓治療更有效率

肺癌患者對於檢測、治療、生活照護等多方面需求多元,往往需要多科別參與,三軍總醫院也為此特別成立肺癌多專科團隊。

黃才旺醫師說,肺癌多專科團隊成員包含胸腔內外科、病理科、放射診斷科、放射腫瘤科、復健科、心理師、個案管理師等,且三總特有的中醫團隊也加入其中,藉由各自的醫療專業幫助病患。

各科團隊成員會定期開會、集思廣益,替肺癌患者擬定適宜的個人化治療計畫;也開設綠色通道提供整合性門診,幫助減少各科室來回、檢查等候的時間,大幅提升就醫便利性。

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早期肺癌降低復發風險,術後輔助治療勿忘免疫檢查點

早期肺癌手術後要拚治癒,不可不知的重點便是術後輔助治療。黃才旺醫師解釋,在接受手術治療後,1A 期肺癌患者五年存活率可達 90% 以上,1B 期肺癌患者五年存活率約 85%,2 期則降到 60% 左右,3 期則會降至 50% 以下,可見復發風險仍然嚴峻。

因此通常只要是 2 期以上的患者,醫師都會安排術後輔助治療,而1B期若具有較高的復發風險,也會建議接受術後輔助治療。黃才旺醫師說,傳統的術後輔助治療以化學治療為主,效果較差強人意,近年 EGFR 標靶治療與免疫治療也陸續被運用於術後輔助治療,讓療效有不少提升。

黃才旺醫師進一步說明,若基因檢測有發現 EGFR 基因突變,可選用對應之標靶藥物;若無 EGFR 突變,則就可以觀察腫瘤是否具免疫檢查點 PD-L1 表現,若有就可考慮 PD-L1 抑制劑之免疫治療。

所謂 PD-L1 抑制劑,是透過抑制癌細胞藉免疫檢查點機制,逃避 T 細胞攻擊的一種免疫治療。

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黃才旺醫師解釋,當免疫系統中的 T 細胞有能力辨識並毒殺癌細胞時,癌細胞為了自保,可能會在細胞表面產生 PD-L1,當 PD-L1 與 T 細胞上的 PD-1 結合時,就會抑制 T 細胞的攻擊。此時,就可以使用 PD-L1 抑制劑對症下藥,阻止 PD-L1 與 PD-1 結合,讓 T 細胞可以發動攻擊、毒殺癌細胞。

PD-L1 抑制劑讓癌細胞「卸妝」,手術前就先與醫師討論 PD-L1 表現檢測

「具有 PD-L1 的癌細胞就像擁有偽裝能力,可以躲過 T 細胞的攻擊。」黃才旺醫師形容,「PD-L1 抑制劑能讓偽裝失效,使癌細胞現出原形,T 細胞就能對癌細胞大開殺戒。」臨床試驗的結果顯示,術後輔助治療使用化學治療接續 PD-L1 抑制劑,視患者本身 PD-L1 表現高低,能降低復發風險約 30~55% 不等。

黃才旺醫師進一步解釋,針對 PD-L1 表現較高的患者,通常可以預期 PD-L1 抑制劑能發揮較佳的治療成效,因此建議患者可於擬定治療測前先進行 PD-L1 檢測。由於檢測 PD-L1 表現必須使用腫瘤切片檢體,為讓檢測流程更順暢,治療更有效率,建議患者應把握『術前』就跟醫師討論檢測 PD-L1,避免後續可能有檢體不足的疑慮。

黃才旺醫師也強調,現有健保資源有限,在考量治療急迫性下,目前雖對晚期患者資源較多,但也已逐漸朝早期邁進,身為醫師為了患者的利益著想,不論是否有健保給付,都會盡可能地讓患者知道所有可能的治療資訊,充分醫病溝通,完整保障患者權益。

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筆記重點記起來

  1. 肺癌高危險族群善用政府資源,2 年可免費進行 1 次低劑量電腦斷層 LDCT 篩檢,有助早期發現肺癌。
  2. 早期肺癌治療仍以手術為主,手術時採一站式定位,可縮短手術時間、有效減少併發症;術後必須注意復發狀況,積極評估術後輔助治療必要性,除化學治療外,同步考量 EGFR 標靶治療、免疫檢查點抑制劑治療等之用藥可能。
  3. 根據臨床試驗的結果,在化學治療後接續使用一年之 PD-L1 抑制劑作為早期肺癌術後輔助治療,可幫助具有 PD-L1 表現之肺癌患者降低復發機率。
  4. 檢測 PD-L1 表現需使用肺癌檢體,患者記得在手術前就先與醫師討論,以取得足夠檢體檢測,提升術後治療效率。

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我們可以怎麼運用幹細胞?克隆技術可以解決同性生殖問題嗎?
賴昭正_96
・2023/12/27 ・5121字 ・閱讀時間約 10 分鐘

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  • 作者/賴昭正|前清大化學系教授、系主任、所長;合創科學月刊

因被極有彈性的膜和果凍層包圍著,非洲爪蟾的卵與其它兩棲動物的卵不同,使得微量移液器無法穿透,所以我第一次嘗試在非洲爪蟾中移植細胞核完全不成功。⋯⋯如果實驗——或其他事情——沒有立即成功,請不要放棄!

——格登(John Gurdon)2012 年諾貝爾醫學獎

在「認識病毒全攻略!病毒的發現、與細菌的不同、科赫假說和致病機制」一文裡,筆者提到細胞是生命的基本單位,它主要由基因組(genome)、細胞膜(cell membrane)、細胞質(cytoplasm)、和核醣體 (ribosome)組成。細胞質為執行細胞生長、代謝、和複製功能的地方,為細胞中的微觀工廠;核醣體將遺傳密碼從核酸的分子語言翻譯為氨基酸的分子。細胞本身含有代謝酶,因此有營養系統;不需宿主活細胞,即可自行繁殖。

高等動植物的細胞不像細菌,具有真正的細胞核(nucleus),故稱為真核細胞(eukaryotic cell)。它們沒有細菌的「質粒」(plasmid),但卻有像消化系統一樣的「線粒體」(mitochondria)來吸收營養,分解營養,並為細胞創造能量豐富的分子。

幹細胞

在大多數物種中,只有兩種完全不同類型稱為「配子(gamete)」的生殖細胞:卵子與精子。卵子是生物體中最大的細胞,而精子則是最小的;它們可以說是「發育不完全」的精簡細胞:卵子只具有細胞核及細胞質,精子則只具有細胞核及粒線體;它們的細胞核內均只有一半的染色體(稱為「單倍體基因組」)。儘管如此,卵子還是是最引人注目的動物細胞:因為一旦被精子活化(精子與卵子融合,稱為「受精」1),它可以在幾週內產生一個全新的個體。

圖/作者提供

人類的卵子受精後約五到六天,就會分裂形成大約一百個細胞的囊胚(blastocyst),見上圖右半。囊胚由內部細胞群(inner cell mass)及囊胚外層(trophectoderm)組成:前者將繼續分裂發展成胚胎(embryo 2),後者則將附著在子宮內膜成為胎盤 (placenta),保護和滋養發育中的胚胎。因為受精卵(zygote)可以分裂產生所有的細胞(包括胎盤),故稱為「全能幹細胞(totipotent stem cell)」。內部細胞群的細胞則因能繼續分裂發展成生殖細胞及體細胞(somatic cell)的人體各部位器官,故稱為「多能幹細胞 (pluripotent stem cell)」,又稱為「胚胎幹細胞(embryo stem cell)」,簡寫為 ES。

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生殖細胞及體細胞一旦形成後,就有其特定「專業化」的功能,不能再如幹細胞一樣轉換成其它細胞。因此自 20 世紀初以來,一直困擾細胞生物學家的問題是:體細胞在基因上與它們所源自的受精卵相同嗎?一個受精卵如何會在胚胎分化中形成許多功能完全不同的體細胞呢?這些體細胞又如何記得繼續分裂成同樣的體細胞呢?

布里格斯(Robert Briggs)和金 (Thomas King)於 1952 年在活體生物體中進行了首次青蛙核移植 (nuclear transfer)實驗:將一個早期胚胎細胞核移植到去核的卵細胞中。他們發現不同發展階段的胚胎核可以造成非常不同的結果:早一天的可以繼續發展成青蛙,晚一天的則胎死腹中。此結果顯然回答了第一個問題:細胞核的遺傳物質在開始分化時會發生不可逆轉的改變,如重新排列遺傳物質使其變得更加專業化、永遠有效地關閉不使用的基因、甚或拋棄數百個不再需要的基因等等。

克隆教父——約翰.格登爵士

格登(John Gurdon)1933 年出生於英國漢普郡(Hampshire)迪彭霍爾(Dippenhall)。就讀於伊頓公學 (Eton College)寄宿學校時,成績不是特別好。在上了一學期的生物學後,老師寫了一份報告說:「我相信格登想成為科學家,但從目前的情況來看,這是相當可笑的。如果他不能學習簡單的生物學事實,他就沒有機會從事專家的工作,這對他和那些必須教他的人來說都純粹是浪費時間。」所以格登畢業後申請了牛津大學的古典學課程,但招生導師因為缺少理科生,告訴他說:「我很高興地告訴你,我們可以接受你,但有兩個條件:一是你得立即開始,第二是你不要學習你參加入學考試的科目。」就這樣,格登終於追求到他的夢想,最後在牛津大學取得發育生物學博士學位。你說人生不是一連串的巧合與意外麼?

約翰.伯特蘭.格登爵士(Sir John Bertrand Gurdon) 圖/wikimedia

1956 年格登開始了核移植的博士研究:但不是移植正在發展中的胚胎細胞核,而是移植已經發展完全的體細胞核到去核的未受精卵內——稱為「體細胞核移植 (somatic cell nuclear transfer,SCNT,見上圖左半 )」。格登早期得到的結論因與布里格斯和金的結論相左,因此受到了強烈的批評。1962 年,格登將西部矮爪蛙(學名 Hymenochirus curtipes)的腸細胞核移植到未受精、去核的非洲爪蟾卵中,竟然發現這種經過改造的卵細胞可以長成一隻新的西部矮爪蛙!這毫無疑問地證明了:(1) 成熟的細胞核仍含有形成所有類型細胞所需的遺傳訊息(即與受精卵具有同樣的基因),(2) 幹細胞在發展中專業化成體細胞是可逆的。

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克隆哺乳動物

格登成功地從體細胞核複製/克隆 (clone) 了兩棲類動物青蛙,當然立刻有科學家想到是否可以用同樣的方法來複製哺乳動物。可是為什麼要等到 30 多年才出現克隆的多莉羊 (Dolly the sheep 3 ) 呢?原來格登選青蛙是有其理由的:兩棲類動物的卵子都是透明、且非常大,一產就大量排出體外。即使這樣,他的成功率還是低的;還好正如筆者在「愛因斯坦所相信的上帝,是你以為的那位上帝嗎?」一文裡所說的「要證明上帝存在比證明祂不存在簡單多」,格登只要在幾百個實驗中不被合理質疑地克隆出一隻青蛙就夠了。

多莉的生命始於試管中的一個單細胞(取自芬蘭多塞特羊的乳腺細胞核和蘇格蘭黑臉羊的去核卵細胞),六天後在實驗室確認正常發育後,胚胎就被轉移到代孕母親體內,於 1996 年 7 月 5 日出生。但在英國羅斯林研究所 (Roslin Institute) 發表論文前,白臉多莉的出生一直被保密。1997 年 2 月 22 日宣布她的誕生後,全世界的媒體紛紛湧向羅斯林去一睹這只如今聞名的綿羊風采,也引發了媒體關於克隆倫理的爭論。

現在大部分先進國家都已經禁止克隆人的實驗,因此各地的實驗室大都只克隆人類胚胎細胞,作為研究及治療用。2018 年,中國科學院上海神經科學研究所首次利用 SCNT 成功克隆靈長類動物,誕生了兩隻名為「中中」和「華華」的食蟹雌獼猴。

誘導多能幹細胞

到了 21 世紀初,研究胚胎幹細胞的科學家已經鑑定出二十多個似乎對胚胎幹細胞至關重要的基因。這些基因的功能不一定相同:有些對於自我更新很重要(即一個 ES 細胞分裂形成兩個 ES 細胞),而另一些則用來阻止幹細胞分化。科學家也找到如何在培養皿中維持多能胚胎幹細胞的方法,及如何改變培養條件使其分化成各種細胞類型,如肝細胞、心臟細胞、和神經元等。但他們能否利用這些資訊將完全分化成熟的體細胞變成像胚胎一樣的幹細胞嗎?

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2006 年,日本京都大學的山中伸彌(Shinya Yamanaka)和博士後研究員高橋(Kazutoshi Takahashi)終於宣稱只要透過其中四個基因,即可將小鼠纖維母細胞(只能產生其它纖維母細胞)重新編程 (reprogramming),成為能產生多種不同類型細胞的多能幹細胞。他們將這樣製造出來的幹細胞稱為「誘導多能幹細胞(induced pluripotent stem cell, iPSC)」。山中伸彌與格登兩人因研究出如何將專業化的成熟細胞重新編程使其具有多能性,而一起榮獲 2012 年諾貝爾醫學獎。

重新編程

精子和卵子像體細胞一樣,也是由受精卵分化出來了,所以應該是一個高度專業化的細胞,但它們融合成受精卵後又變成全能幹細胞,因此顯然融合後的細胞核被卵子微觀工廠的細胞質重新編程,失去大部分分化時的分子記憶(尤其是精子核,變成一張幾乎完全空白的畫布)。格登與複製綿羊的維爾穆特(Ian Wilmut)和坎貝爾(Keith Campbell)就是利用了這種重新編程現象,將體細胞核插入卵細胞質中創造出了新的克隆。

卵子的細胞質顯然就像一個巨大的分子橡皮擦,它能非常迅速地在 36 小時內完成這個重新編程過程,擦掉了細胞分裂過程中專業化的修飾痕跡(imprinting)。在提高山中伸彌之體細胞重新編程為 iPSC 細胞的效率(遠低於1%)和速度(需要數週)上,分子生物學家雖然已經取得了很大進展,但與自然界一比,仍相差甚遠。

筆者寫這篇文章的動機事實上是出於想解救同性戀的傳宗接代問題。研究顯示雖然不存在單一的同性戀基因,但來自數十萬人的 DNA 也揭示了一些與同性性行為有關的基因變異。在「同性戀、熊貓、與適者生存」(科學月刊 2014 年 7 月號,見《我愛科學》)一文裡,筆者提到:傳宗接代為「種族生存」的必要條件;同性戀者不能傳宗接代,不是遲早將從地球上絕跡嗎?一個筆者想到的解救的方法是:像體細胞核移植一樣,用同性「夫妻」的配子核取代受精卵中尚未融合的雌性與雄性原核 (pronuleus),希望它們融合後能繼續發展成胚胎⋯⋯。

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筆者正在幻想如何申請專利賺大錢時,卻發早在 1980 代,肯亞裔的英國發育生物學家蘇拉尼(Azim Surani 4)就已經開始了類似的研究。他以老鼠為對象的實驗毫無疑問地證明了哺乳動物的繁殖不只是傳遞系統的問題:不僅需要兩個單倍體基因組來融合形成一個二倍體核的受精卵,事實上其中一個必須來自母親,另一個來自父親!顯然卵子之細胞質的重新編程不是 100% 地擦掉了所有分裂過程中的修飾、專業化痕跡,而是至少保留了一些必要的基因來源資訊!⋯⋯夢想破滅,只好重做馮婦執筆寫文章(保證不是人工智能代寫的),悲哉!請點個「讚」以聊慰筆者之失望吧!先謝啦!

如果能解開幹細胞之謎,或許也能解開同性繁衍的問題。 圖/envato

結論

幹細胞具有非凡的自我更新潛力:在生命早期和生長過程中可以在體內發育成許多不同的細胞類型。幹細胞可以分成多能幹細胞和「成體幹細胞(adult stem cell)」兩類。前者就是我們討論過的胚胎幹細胞和誘導多能幹細胞;後者也稱為「體幹細胞(somatic stem cell)」,它們已在許多器官和組織中被發現(通常在特定的解剖位置5)。這些特定器官的體幹細胞雖然不是多能的,但在生物體的整個生命週期中,卻扮演著非常重要的內部修復工作:它們可能會長時間保持靜止(不分裂),直到需要替代因正常磨損或疾病而損失的細胞時才被活化。

即使法律上不准複製人,相信讀者早已看出幹細胞在醫療上的可能作用:如果我們能用與我們體內相同的新細胞來取代罹患第一型糖尿病時失去的胰島素分泌細胞、或阿茲海默症失去的腦細胞、或骨關節炎失去的軟骨生成細胞等,那就不必擔心器官移植所造成的免疫系統排斥問題,或缺乏可用來移植的器官的困擾。這種使用克隆幹細胞來作為醫學治療用的領域稱為「治療性克隆(therapeutic cloning)」。

本文只回答了 20 世紀初以來一直困擾細胞生物學家的第一個問題:體細胞在基因上與它們所源自的受精卵相同嗎?至於如何重新編程、一個受精卵如何在胚胎分化中形成許多功能完全不同的體細胞、這些體細胞又如何在分子層面上被修飾使其只能繼續分裂成同樣的體細胞等更複雜的問題,則需等待新興的「表觀遺傳學(epigenetics)」來回答。

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註解

  1. 在某些生物體中,精子並不是嚴格必需的,它們可以透過各種非特異性化學或物理處理來人工活化卵子;例如一些脊椎動物(如一些蜥蜴)的卵子通常是在沒有精子活化的情況下繁殖的,稱為「孤雌生殖(parthenogenesis)」 。
  2. 像胎兒(fetus)的生命從什麼時候開始一樣,胚胎從什麼時候開始也沒有嚴格一致的共識。因當囊胚成功地植入子宮內膜時,母體會立即開始產生荷爾蒙來支持懷孕,筆者認為這應該是很好的胚胎起始點。到受精後大約八個禮拜,大部分人體器官和系統均已成型,也可偵測到心跳。第八週後稱為胎兒。
  3. 以美國西部鄉村歌手 Dolly Parton 的名字命名。
  4. 因試管嬰兒而獲得 2010 年諾貝爾獎之愛德華茲(Robert Edwards)的博士學生。
  5. 不是所有的器官都有這些體幹細胞,例如心臟就沒有,因此一旦數以百萬計的心肌細胞因缺氧(心肌梗塞)而死亡時,人體內就沒有自然系統可以取代它們。反之,肝臟則是具有高度再生能力的內臟器官,它可以在化學損傷或手術切除後再生。

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賴昭正_96
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成功大學化學工程系學士,芝加哥大學化學物理博士。在芝大時與一群留學生合創「科學月刊」。一直想回國貢獻所學,因此畢業後不久即回清大化學系任教。自認平易近人,但教學嚴謹,因此穫有「賴大刀」之惡名!於1982年時當選爲 清大化學系新一代的年青首任系主任兼所長;但壯志難酬,兩年後即辭職到美留浪。晚期曾回台蓋工廠及創業,均應「水土不服」而鎩羽而歸。正式退休後,除了開始又爲科學月刊寫文章外,全職帶小孫女(半歲起);現已成七歲之小孫女的BFF(2015)。首先接觸到泛科學是因爲科學月刊將我的一篇文章「愛因斯坦的最大的錯誤一宇宙論常數」推薦到泛科學重登。