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幹…細胞真的能用來養顏美容嗎?從諾貝爾獎到梳妝台之間的蟲洞

科學新聞解剖室_96
・2017/09/03 ・4729字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 526 ・七年級

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科學新聞解剖室-案件編號 25

案情

愛美是人類的天性,隨著各種美妝保養品的推陳出新,相信一定有人注意到近年來和美容保養品相關的新聞或廣告頻頻出現一些很神奇的科學專有名詞,例如〈幹細胞撫孕紋 搶兩岸美麗商機〉這樣的新聞,報導開頭就說:

「幹細胞保養品」當道,生技業者看好兩岸美容保養品市場,利用幹細胞培養技術開發各類保養聖品,創造幹細胞在醫療領域外的「美麗商機」。

「幹細胞保養品」這種名號看起來就非常高科技,解剖員不禁回想起過去曾看過的一些與幹細胞相關的保養品廣告,真的是擦得、吃得、敷得一應俱全,隨手一抓就有一堆,例如:

……研究人員開始投入 Uttwiler Spätlauber 蘋果幹細胞的研究,因此創造了 PhytoCellTec™ 技術,這種技術不但可以有效萃取植物幹細胞、保存幹細胞活性……質地水嫩的凝霜易滲透於肌膚,釋放出幹細胞的再生能量……[1]萃取自瑞士一種罕見蘋果樹果實的幹細胞,它擁有增長細胞壽命、令肌膚重現生氣活力的特質,功效神奇獨特。

……藉著刺激老化皮膚幹細胞,準確並顯著地減少皺紋產生,令老化皮膚注入新生活力,從而令肌膚更年輕、緊緻,容光煥發。 [2]

……胎盤幹細胞時空膠囊,含有豐富的細胞增值因子,能快速進入肌膚真皮層,有效改善皺紋,維持緊緻彈力,活化肌齡凍結青春抗老精華……[3]

……人蔘幹細胞珍品膠囊,結合韓國人蔘幹細胞及人蔘皂苷,加入了抗衰老精華「鍺」,有助抗氧化,調補體質,延緩衰老…… [4]

……植物幹細胞面膜,含有高濃度補水玻尿酸、水光針精華、植物再生幹細胞,天然植物纖維材質,令面膜更貼膚,更好吸收再生精華,給肌膚帶來閃耀無盡年輕光彩![5]

……強效喚顏複合物,可修復幹細胞,並深入肌膚底層,強化肌膚結構改善細紋,讓肌膚更加緊實……[6]

……想要抗衰老,首重幹細胞的修復,補充幹細胞生長因子增加體內生長因子濃度活化體內幹細胞進行組織修復細胞再生。表皮生長因子能讓細胞重新進入生長週期具有修復表皮、抗衰老、淡化色斑、平復滋潤皮膚…[7]

……高科技天然海茴香植物萃取結合生長因子……從海茴香萃取出的植物幹細胞,最特別的是與人體皮膚細胞的同質性非常高,所以對肌膚能提供非常好的修護……達到抗老化效果。[8]

這些產品扯上幹細胞,看起來有多厲害就有多厲害,彷彿透過這樣的產品,皮膚就能回到最 Q 彈的青春階段,人人都可以擁有吹彈可破肌膚,這麼撼動人心的產品,能不乖乖掏錢嗎?!在醫學的應用上,幹細胞確實有「萬能細胞」之稱,但是轉換到醫美產品的應用之後,仍然有這麼神奇的效果嗎?看到這些頗為誇大的廣告用詞,解剖員自己都懷疑了。

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美容保養產品扯上幹細胞,看起來有多厲害就有多厲害,彷彿透過這樣的產品,皮膚就能回到最 Q 彈的青春階段,人人都可以擁有吹彈可破肌膚,這麼撼動人心的產品,能不乖乖掏錢嗎?圖/BY Elnaz6 @wikimedia commons

解剖

一、你說的幹細胞是哪種幹細胞?

我們常在醫療相關的新聞中聽到「幹細胞」,例如再生醫療、臍帶血等等,近年來這樣的風潮跨足到美容保養領域,瞄準愛美人士的口袋,更是銳不可擋。但是大家口中說的「幹細胞」,指的都是同一種幹細胞嗎?

人體的幹細胞具有細胞分化與複製的能力,可以形成新的細胞來維繫器官或組織的功能,因此幹細胞在「再生醫療」的領域裡實佔有舉足輕重的地位。不過從功能的取向來看,它還可以進一步分成四類:「全能幹細胞」(Totipotent)、「萬能幹細胞」(Pluripotent stem cell)、「多功能幹細胞」(Multipotent stem cell)、「專一性幹細胞」(Unipotent stem cell);如果依照發育的先後順序來看,則可以分成「胚胎幹細胞」(Embryonic stem cell)和「成體幹細胞」(Adult stem cell)。

問題來了,前面許多令人怦然心動的廣告詞中都有提到的植物幹細胞(例如:蘋果幹細胞、蘋果樹果實的幹細胞、人蔘幹細胞、植物再生幹細胞)又是什麼呢?

國立清華大學生命科學院黃貞祥教授指出,通常我們提到的幹細胞大多是指人或是動物的幹細胞,如果要這樣亂套用動物幹細胞概念的話,那也可以說絕大部分的植物在某個程度上都是幹細胞,所以用植物來進行組織培養、嫁接、分枝等都是頗容易的事情。

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此外,生物課本上會提到「分生組織」這樣的概念,指的是植物中原本就具有分裂分化能力的組織,習慣上它就真的會被稱作「植物幹細胞」,只是它跟動物的幹細胞仍然是天差地遠。所以直接用植物幹細胞來跟動物幹細胞裝熟,實在是有點太浮誇了。

圖/BY Nikiko @ Pixabay

此外,產品廣告中多數提到植物幹細胞的功用是修補受損肌膚、讓皮膚緊緻、年輕。但是促進植物生長發育的生長激素是小分子的化合物,而人體的生長激素則是由上百個胺基酸構成的多肽,兩者結構差距甚大,植物生長激素如何可能具有有動物生長激素的活性,進而影響人體呢?同理可知,就算動物幹細胞有可能可以分化為皮膚細胞、協助皮膚傷口的恢復,「植物幹細胞」再怎麼萬能,就算可以分化出其他類型的植物細胞,也不可能分化成動物細胞,甚至是去「修復幹細胞」或是「刺激老化皮膚幹細胞」。

各種類型的幹細胞,它們的功能與範圍都不相同,動物幹細胞跟植物幹細胞更是井水不犯河水。

然而,喜歡處處標榜幹細胞的保養品廣告,不是說萃取自「植物幹細胞」,就是強調能「修復幹細胞」,但總是沒有清楚說明可以修復哪一種幹細胞?以及背後幹細胞運作的機制究竟為何?對於廠商來說,幹細胞如何炒作顯然要比幹細胞如何運作重要多了。

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二、幹細胞的生長因子是神奇的魔法嗎?

幹細胞保養品中另一個常見的宣傳亮點就是強調可以補充幹細胞的「生長因子」,這種感覺就好像服用了就可以讓體內擁有生生不息、源源不絕的能量,獲得返老還童般的效果。但是,「生長因子」是什麼呢?

一般學理中所指的生長因子(Growth factor),指的是能刺激細胞分化、增生的蛋白,它可以調節細胞之間的各類活動與功能,作為細胞間的信號分子,促進細胞分化與成熟。同樣地,「生長因子」的種類非常多,例如表皮生長因子、神經生長因子、血小板生成素等等,想利用生長因子或是其他能活化幹細胞的成分來驅動幹細胞的理想雖然豐滿,但骨感的現實是,生長因子本身光是在生理上的作用機制就非常地複雜。

驅動生長因子並不是在變魔法,不是唸唸咒語它就會照著你想的功能去誘導幹細胞作用。

圖/BY Pixhere

這個過程中,從要如何引導幹細胞、是否會引起免疫排斥反應、怎樣的環境才能穩定培養、最後該如何追蹤其成效,每個環節都涉及非常複雜的機制,尖端的科學家們都還在努力當中。所以想要透過簡單服用一粒藥丸就達到這些功效,恐怕是過度樂觀。況且退一萬步想,就算成分真的有效好了,人體吸收得到嗎?有些幹細胞保養品作成膠囊來服用,想像一下這些微小蛋白要通過龐大的消化系統吸收,然後再傳送到希望作用的身體部位,有人形容這過程就像是「有一艘太空船由火星發射,然後要精準且毫髮無傷地降落在你家後院般的困難」[9]

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最後,解剖員再機車一下,幹細胞在培養過程中有辦法純化到僅剩下人體細胞所需要的營養成份嗎?有活性的幹細胞跟保養品其他成份放在一起會不會污染、變質?即便真的像產品所言,具有活化、修復肌膚的效果,一直刺激細胞,是否會對皮膚有不好的影響呢?總之,在科技生產技術尚未有具體突破之前,解剖員是不太相信幹細胞的神奇可以在現階段被濃縮於那一顆小藥丸中。

三、從諾貝爾獎到梳妝台之間有個蟲洞?

即使幹細胞的各種運用還在努力研發中,即使醫美相關產品的公司可能有誇大效果的疑慮,「幹細胞」仍是各界矚目的焦點,尤其是 2012 年諾貝爾生理與醫學獎得主山中伸彌和戈登在「誘導式多能性幹細胞技術」(iPS)的突破以後,使得再生醫學有了更進一步發展的可能,讓全能幹細胞的研究可以更有彈性,避免過往因為可能涉及胚胎幹細胞而有的倫理爭議。

但是,從諾貝爾獎的研究到應用、或是產品出現在梳妝台上,多數都還有一大段距離,不是一天兩天的事,有些化妝品或保養品宣稱自己的技術「一直走在最前面」,多數只是打腫臉皮充胖子。例如 2016 年諾貝爾生理醫學獎頒給研究細胞自噬機制的大隅良典時,解剖員記得就有保養品公司不只跟著祝賀,也要跟諾貝爾獎的研究肩搭肩,說自己的產品靈感來自於此;除此之外,更有某幹細胞保養產品在臉書的自我介紹裡寫著:「諾貝爾生理或醫學獎─幹細胞」。這些廠商攀親道故的功力真是一流,但是實際上從研究得獎到產品量產之間並不會那麼容易,除非從諾貝爾獎到梳妝台之間有個能夠穿越時空的蟲洞。

實際上從研究得獎到產品量產之間並不會那麼容易,除非從諾貝爾獎到梳妝台之間有個能夠穿越時空的蟲洞。圖/BY jw210913 @ Pixabay

解剖總結

除了「幹細胞」之外,也還有很多酷炫的科學名詞會是化妝品廣告的最愛,像是 DNA、RNA、端粒酶、左旋 C 等等,甚至是才剛有一些突破的重力波,儼然成為商品廣告的寵兒。雖然我們不是幹細胞系,經過前面的概述,大家可能對幹細胞已略懂略懂,但如果看完前面的內容還是讓你暈頭轉向的話,可以記住這幾個原則,或許能讓你比較容易在幹細胞保養品的迷惑中看清它的「美麗包裝紙」:

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  1. 不管是要儲存細胞或是活化細胞的有效成分,通常都不會在室溫下、且保存期限也會極為有限。
  2. 幹細胞是很有潛力,但要讓它乖乖聽話的機制是很複雜的!而且在實驗室環境裡表現良好的幹細胞,也不能代表他在動物或是人體上就會有一樣的效果。
  3.  目前尚未核准任何與幹細胞有關的化妝品及保養品上市,在世界上通過的產品皆為幹細胞治療產品。如果真的有什麼驚天動地的重大發現,世界絕對比你還著急!

最後,黃貞祥教授也提醒,關於幹細胞療法的部份,有一些仍具爭議的研究指出,要注意幹細胞癌化的可能性,例如許多幹細胞療法之所以有潛在的效力,是因為用自己身上的成人幹細胞,或者用體細胞核去複雜胚胎再取胚胎幹細胞,這樣幹細胞內的基因體才會和自己的完全一致,而不至於發生免疫反應。如果貿然使用外來幹細胞來進行治療,不僅可能引起免疫排斥反應,甚至這些外來幹細胞如果沒被免疫系統殺光,反而要擔心服用者的免疫系統可能因此掛點。

所以幹細胞治療所可能導致的潛在風險,還需要被進一步的研究才能確知,這還是一條十分漫長的道路。

總結以上論點,沒有人可以正確判斷每一則尖端科技訊息的真偽,我們唯一的應對良策,就是時時抱持著質疑的態度。尤其是在茫茫的科學偽新聞、科學偽廣告之中,必須要靠著自己的「判讀力」才能讓自己武運亨通、守住荷包。最後,來練習一下:

……以獨家「抗引力太空科技」,全新加入樹蕨萃取與鳥苷精華,能有效對抗引力,恢復肌膚凝聚力……
……超越肌膚極限,打破 DNA 定律……
……含有端粒酶因子,只要輕輕將該眼霜塗在眼週上並輕輕按壓,不油且吸收快,滋潤眼周……

有了前述的基本功,再看到這些新科技加持的保養商品廣告,還會腦波微弱地、豪爽地掏錢嗎?或是有產生一些疑問呢?依據前述的解剖,本解剖室針對幹細胞保養品系列廣告給予以下評價(14 顆骷髏頭):

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(策劃/寫作|雷雅淇、賴雁蓉、黃俊儒;科學專家|黃貞祥)

文章難易度
科學新聞解剖室_96
37 篇文章 ・ 12 位粉絲
「科學新聞解剖室」是由中正大學科學傳播教育研究室所成立的科學新聞監督平台,這個平台結合許多不同領域的科學解剖專家及義工,以台灣科學新聞最容易犯下的10種錯誤類型作為基礎,要讓「科學偽新聞」無所遁形。已出版《新時代判讀力:教你一眼看穿科學新聞的真偽》《新生活判讀力:別讓科學偽新聞誤導你的人生》(有關10種錯誤的內涵,請參見《別輕易相信!你必須知道的科學偽新聞》一書)。

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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。

延伸閱讀

討論功能關閉中。

賴昭正_96
41 篇文章 ・ 50 位粉絲
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。

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胚胎發育必不可少的兩位舞者:胚胎幹細胞與滋養層幹細胞——《生命之舞》
商周出版_96
・2023/10/22 ・2668字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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細胞工程如何進行?

如果我們真的要進行細胞工程的話,我們就得要以孩童拼樂高積木的方式,一次一個地將細胞組合成胚胎。但我們並沒有經由口吸管的方式(請參考第五章)來這樣做,而是把一切都留給機率來決定。

我們在培養皿中混合了不同濃度的兩種細胞,並讓它們自由接觸。我們在第二天透過顯微鏡看到,有些細胞確實開始相互作用並形成結構。但為數不多,因為這取決於無法預測的機率。不過當胚胎幹細胞與滋養層幹細胞結合時,它們就會以驚人的方式進行自我建構,它們好像知道自己要做什麼,也有個目標。

胚胎發育過程經歷了什麼?

我們在實驗室暗房的顯微鏡下,看到許多胚胎發育的基本過程。我們首先看到細胞極化。接著幹細胞會自我建構,胚胎幹細胞會聚集在一端,而滋養層幹細胞則聚集在另一端。由於胚胎幹細胞衍生出的胚胎部分與滋養層幹細胞衍生出的胚外部分會進行對話,所以在每個細胞群中的空腔後續會打開並創造出三維的 8 字形。我們發現這涉及到一個名為 Nodal 的蛋白所傳送的訊號。這兩個空腔之後會融為一體,最終形成一個對胚胎發育至關重要的大型羊膜腔。這種體腔形成的過程似乎就跟真正胚胎在著床不久後會發生的情況一樣。我們看見了自我建構的驚人創舉。

不過,我們當然總是想要更進一步,讓合成胚胎中胚胎幹細胞所衍生部位裡的那些類胚胎細胞,能夠適當地打破對稱性。我們的意思是讓這些細胞設法進行原腸化,也就是提供未來身體體制基礎的關鍵步驟。
我們發現若是可以讓胚胎幹細胞與滋養層幹細胞結構再發育久一點,它們確實會打破對稱性。

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像 Brachyury 這類基因就會在胚胎與胚外部位之間開始表現,就跟真正胚胎的情況一樣。Brachyury 基因至關重要,因為它會影響中胚層的形成與前後軸線。 這個發現不但讓我的心跳差點停止,也讓實驗室中的每個人都大為驚奇。

這些類胚胎結構與正常胚胎結構非常相像,足以用於揭開在母體著床時期的某些發育謎團。很明顯地,胚胎幹細胞與滋養層幹細胞一同建造的結構所模擬出的胚胎形態與結構模式,要比只使用胚胎幹細胞要來得精確許多——這是更值得信賴的發育模型。

圖/unsplash

感覺起來,這兩種幹細胞就好像兩名舞者彼此都告訴對方,自己在胚胎中的所在位置。沒有這場雙人舞,正確形狀與形式的發育以及關鍵生物機制的適時運作就不會適當發生。我們也發現這個結構模式的發育,得仰賴 Wnt 與骨成形性蛋白質(bone morphogenetic protein, BMP)的訊號路徑,這與真正胚胎的發育情況一樣。

投稿論文的種種阻力與助力

我們將這篇論文投稿至《自然》。由於許多論文在初始階段就會被退回,所以我們知道編輯將稿子送去審閱時,士氣不由得為之一振。編輯們的知識淵博,經驗也豐富,能走到這一步就是一種重要的認可,所以我們有場小小的慶祝活動,因為即使是小小的成功也能做出改變。

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不過最終他們沒有接受我們的論文,除非得像一位審稿人要求的那樣,提供合成胚胎在自我建構時所用基因的詳細資料,以及這些基因的表現模式在自我建構的每個階段是如何變化的。這將會是一件大工程。然而這彷彿算不上是什麼壞消息,因為我的實驗室中並沒有技術可以研究這些基因所運用的轉變形態模式。我需要尋求經費來購買我負擔不起的設備,我們也需要找到合作夥伴。

我受邀到澳洲獵人谷為歐洲分子生物學組織大會進行講座。那時正值學校放假,所以我帶著賽門一起踏上這次的冒險旅途。我們在香港轉機,順便停留一天拜訪當時的行政長官梁振英,他是我最好的前博士生之一梁傳昕的父親。

圖/unsplash

我的演講是由小鼠發育生物學家譚秉亮(Patrick Tam)開場,我感到非常榮幸,因為我向來就對譚秉亮的研究極為崇拜。賽門與我加入譚秉亮與他太太伊莉莎白(Elizabeth)的行列,一起到雪梨的海邊走走,一路上譚秉亮告訴我有關他與上海生命科學研究院景乃禾(Naihe Jing)的合作,景乃禾利用雷射切割胚胎,揭露了胚胎基因的表現模式。我非常幸運,因為在我回到劍橋不久後,景乃禾就到劍橋來拜訪,所以我能夠親自與他見上一面。我們同意一起合作揭開我們類胚胎結構中基因表現的模式。景乃禾團隊的貢獻將是我下一章故事的重心。那時我們才意識到,可能要花上一年的時間才有辧法確實做到這一點,而我也不確定我們是否願意為了讓《自然》的編輯滿意(或者還是不滿意,誰知道呢)而等這麼久。

那時,莎拉與柏娜已經累積了更多的數據,所以我們決定將研究結果投稿到我比較不熟悉的《科學》。事實證明這是正確的選擇。跟過往一樣,審稿人要求我們再多做一點實驗。但這次的要求還做得到,只是我們就得在 2016 年的聖誕節假期長時間的工作,以便在新學期開始前完成手稿。大衛也一起下來幫忙,他成為這篇論文的共同作者。

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為「類胚胎模型」命名也是一門大學問

命名很重要,因為「珠子」那個命名的前車之鑑,所以我們對於要怎麼為我們的類胚胎模型命名進行了漫長的討論。這些模型讓我們知道胚胎結構是如何從幹細胞自我建構而成,所以我們想要給它們取個特別的名字。但是我們最後沒有得到共識。

圖/imdb

《科學》的編輯不喜歡「合成」類胚胎結構這個名字。我在期中假期得知這個消息,那時我正與家人及朋友滑雪度假中,所以我請他們一起來想想其他的名字。這或許就是為何我們會想到「ETs」這個名字的原因之一。史蒂芬.史匹柏有部科幻電影講述到從異世界來的訪客,而從幹細胞自我建構出的第一個類胚胎結構似乎也帶給我們這樣的感受。不過這個 E 不是代表「另外(extra)」的意思,而 T 也不是「地球人(terrestrials)」的意思。E 代表的是胚胎幹細胞(ES),而 T 代表的則是滋養層細胞(TS)。

——本文摘自《生命之舞》,2023 年 9 月,出版,未經同意請勿轉載。

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猛瑪象能吃嗎?
胡中行_96
・2023/04/20 ・2924字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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飲食品味有人崇尚創新,有人偏好傳統,還有科學家喜歡走科技復古風:比利時 Paleo 公司從瑞典斯德哥爾摩的古遺傳學中心(the Center for Palaeogenetics),取得 120 萬年前的猛瑪象(mammoth,又稱長毛象)DNA,培養出肌紅素(myoglobin),當作蛋白質添加物。[1]澳洲 Vow 公司也不甘示弱,做了一粒猛瑪象肉丸,於荷蘭 NEMO 博物館亮相,[2]並由荷蘭國立博物館(Rijksmuseum)收藏。[3]

猛瑪象/長毛象。圖/Mistvan on Wikimedia Commons(CC BY-SA 4.0)

精準發酵

Paleo 公司的創辦人兼執行長向媒體表示,他們拿到的猛瑪象 DNA 支離破碎,所以比對亞洲與非洲象來重建序列,再利用酵母精準發酵(precision fermentation),產出肌紅素。他宣稱加入了猛瑪象肌紅素的植物漢堡排,不僅擁有鮮紅的色彩,還別具濃郁的肉品風味。然而,肉品科學專家懷疑這言過其實,畢竟肌紅素佔肉品成份的比重不高。比利時的 Paleo 和澳洲的 Vow 公司,兩家作法最大的差異是:前者的產品不含動物細胞;而後者則做出真的組織。[1]換句話說,就像純素主義者吃果凍的時候,容易誤食的明膠(gelatin),[4] Paleo 的產品源自動物,但不算肉。

培植肉

另一邊,澳洲 Vow 公司弄到不完整的猛瑪象肌紅素基因序列,便拿非洲象的 DNA 來填補。拼湊完成後,放到羊的肌母幹細胞(myoblast stem cells)裡,培養約 2 週。[1, 2, 5]這種在實驗室中長大的肉品,稱為培植肉(cultured meat)。[6]除了遠古動物,也能用現代家禽、家畜與海產等物種。[7]一般的生產步驟,大致如下:

  1. 細胞分離(cell isolation):[8]取得活體動物肌肉的幹細胞,揀選並培養後,儲存於細胞銀行,方便未來使用。[7, 9]
  2. 細胞擴增(cell expansion):[8]從細胞銀行提領一些出來,在無菌環境下,給予養份,令其成長並增殖。[7]
  3. 細胞分化(cell differentiation):[8]一旦增殖到足夠的數量,就加入蛋白質生長因子(protein growth factors)等物質,使其分化成肌肉、脂肪及結締組織等,各種類型的細胞。[7]
  4. 組合纖維(assembly of fibers):[8]採收成品,再以普通的食品加工程序,組合並包裝。[7, 8]
培植肉的製作過程。圖/參考資料8,Figure 1(CC BY 4.0)

吃猛瑪象的利弊

您會想嚐試猛瑪象相關食品嗎?澳洲詹姆士庫克大學(James Cook University)的科技史教授 Hallam Stevens,顯然非常猶豫,還寫了篇文章分析利弊。[6, 10]以下綜合他的幾個看法和其他資料,供讀者於冒險前參考:

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  1. 生長激素[6]攝取太多生長激素,會對生長、生育造成負面影響。不過,食品法規能加以限制,而且培植肉使用的量,可以比傳統畜養少。[11]至於精準發酵,則不需要生長激素。[12]
  2. 過敏原[6]參與猛瑪象肉丸開發的澳洲昆士蘭大學(University of Queensland)Ernst Wolvetang 教授表示,不曉得人體的免疫系統,遇到從地球上消失多時的蛋白質,會做何反應。[1, 2]也就是科學家都沒膽吃了,在座的各位請自己看著辦…
  3. 微生物汙染[6]傳統方式生產的海鮮和肉品,在宰殺過程中,難免受細菌、黴菌或病毒汙染;相對地,培植肉風險較低,但仍須謹慎管理倉儲,並且注意來源動物的健康狀況。[13]如果為了避免微生物汙染,便添加抗生素,就會與傳統養殖一樣,面臨抗藥性的問題。[9]另方面,Paleo 公司的官網寫道,精準發酵無須抗生素。[12]
  4. 營養成份:培植肉的營養是否足夠,老實說科學家還不太確定。[6, 9]
  5. 生物多樣性:復刻絕種動物,聽起來好像有機會促進生物多樣性,或至少食物多元化。然而主流的培植肉商品,應該還是以普通禽畜為大宗,並且限定肌肉組織,大概不會包含內臟等其他部位。由於販售的項目完全掌握在廠商手中,最後可能重蹈基因改造食物的覆轍,令特別挑選過的品種稱霸市場,排擠失去經濟價值的物種。此外,這個發展的方向,無助保育瀕危生物。[6]
  6. 溫室效應:精準發酵和培植肉,都標榜節省或使用再生能源,還有排放的溫室氣體,較傳統畜牧業少。[2, 9, 12]最近卻有研究認為,家畜為人詬病的甲烷(CH4),暖化效果其實不如製作培植肉時,釋出的二氧化碳(CO2)持久。所以推廣培植肉,未必能明顯改善全球暖化。[9]
  7. 素食主義:養培植肉的最佳營養品,是取自往生孕牛腹中,死亡胚胎的胎牛血清(foetal bovine serum)。[9, 14]無論是基於宗教還是動保的理由,在素食主義者眼裡,這無疑是殺生。[9]關於這點,澳洲的 Vow 公司強調他們不使用胎牛血清。[2]至於精準發酵而來的猛瑪象肌紅素,或許更容易被接受。畢竟猛瑪象的滅絕,不是現代科學家的錯,而且酵母被動保組織視為純素食材。[15]
  8. 動物保育:儘管 Paleo 和 Vow 公司的猛瑪象創舉,都證明了他們不仰賴活體動物;有論文認為,就培植肉的生產而言,少數動物還是會被養來提供細胞。[9]
  9. 宗教認可:就算釐清什麼是素食了,宗教界目前尚在爭論,實驗室養出來的肉,是否符合猶太、清真等食品規範。[9]
史上第一片培植肉,於 2013 年問世。圖/World Economic Forum on Wikimedia Commons(CC BY 3.0)

食品法規的未來

根據調查統計,高學歷、願意減少宰殺,而且對培植肉有基本概念的年輕葷食者,對此肉品接受度較高。[9]相信泛科學的讀者,有不少屬於這個族群。目前 Vow 和 Paleo 公司雖然都積極行銷,[3, 12]但培植肉與絕種動物衍伸食品,應該不會馬上普及市場。大家仍有時間,針對食安、健康、環保和宗教等層面,仔細思考。同時,各國的立法單位,則要煩惱如何重新定義並檢驗肉品與海鮮,以確保相關法規與時俱進。[9]

澳洲 Vow 公司宣傳片:02:24 開始介紹猛瑪象肉丸;03:03 起為製作流程。影/參考資料5

  

參考資料

  1. Vlamis K, McFall-Johnsen M. (07 APR 2023) ‘A company says it added mammoth DNA to plant-based burgers and that they tasted much more ‘intense’ and ‘meatier’ than the cow version’. Business Insider.
  2. Carrington D. (28 MAR 2023) ‘Meatball from long-extinct mammoth created by food firm’. The Guardian.
  3. We Are Writing the Roles of Food with Cultured Meat’. Forged Vow. (Accessed on 09 APR 2023)
  4. What is gelatin made of?’. People for the Ethical Treatment of Animals. (Accessed on 10 APR 2023)
  5. Forged by Vow. (28 MAR 2023) ‘Introducing the Mammoth Meatball | The world’s first meat made out of the extinct Woolly Mammoth’. YouTube.
  6. Stevens H. (06 APR 2023) ‘A mammoth meatball hints at a future of exotic lab-grown meats, but the reality will be far more boring, and rife with problems’. The Conversation.
  7. Human Food Made with Cultured Animal Cells’. (21 MAR 2023) U.S. Food & Drug Administration.
  8. Bodiou V, Moutsatsou P, Post MJ. (2020) ‘Microcarriers for Upscaling Cultured Meat Production’. Frontiers in Nutrition, 7:10.
  9. Chriki S, Hocquette J-F. (2020) ‘The Myth of Cultured Meat: A Review’. Frontiers in Nutrition, 7:7.
  10. Prof Hallam Stevens’. James Cook University. (Accessed on 09 APR 2023)
  11. Ong KJ, Johnston J, Datar I, et al. (2021) ‘Food safety considerations and research priorities for the cultured meat and seafood industry’. Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety, 20(6): 5421-5448.
  12. Our products’. Paleo. (Accessed on 11 APR 2023)
  13. Ong KJ, Johnston J, Datar I, et al. (2021) ‘Food safety considerations and research priorities for the cultured meat and seafood industry’. Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety, 20(6):5421-5448.
  14. Introduction to Fetal Bovine Serum Collection’. Thermo Fisher Scientific. (Accessed on 11 APR 2023)
  15. Prater D. (27 JAN 2016) ‘What Is Nutritional Yeast? How Will It Change You?’. People for the Ethical Treatment of Animals.
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胡中行_96
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曾任澳洲臨床試驗研究護理師,以及臺、澳劇場工作者。 西澳大學護理碩士、國立台北藝術大學戲劇學士(主修編劇)。邀稿請洽臉書「荒誕遊牧」,謝謝。