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真.補師公會直擊!iPSC誘導型多潛能幹細胞核心實驗室

 編按:作為直屬於總統府的學術研究單位,中研院每年都會舉辦一次開放參觀活動,邀請大小朋友來親眼看看實驗室、聽講座、和研究員聊聊天。科學研究需要大眾的了解與支持,頂尖的研究更不例外。
2017 年的開放日包括了超過 300 場的人文、科普活動讓科學初心者刷經驗值,快來和我們一起看看有哪些精采的參觀內容吧!

在電玩遊戲裡,刷副本會帶著補師,放技能幫團員補血回魔、甚至復甦生命。但真實世界有可能修復受傷的組織器官嗎?這題的解答,就藏在由中研院生醫所謝清河研究員帶領的「誘導型多潛能幹細胞(Induced Pluripotent Stem Cells, 簡稱 iPSC)核心實驗室」。

院區開放參觀這天,初心者透過顯微鏡觀察已經被培養好的「誘導型多潛能幹細胞 (iPSC)」。攝影/張語辰。

真實世界的補師:誘導型多潛能幹細胞

無論是帥到分手的周湯豪,或是國民老婆新垣結衣,人體都是從一個小小的受精卵,長成現在所看到的頭、身體、四肢。受精卵怎麼這麼狂?因為受精卵是可以變成身體各種細胞的「全能性幹細胞」。

但受精卵的全能性,會隨著細胞分裂的過程逐漸喪失。

受精卵經過兩次分裂形成四個細胞時,每個細胞都具有成為一個個體的能力;相對的,隨著細胞分裂次數增加,各個細胞的能力逐漸受限,進而剩下專化(分化)為特定細胞的能力,如專化為心臟的心肌細胞、腦的神經細胞等。

然而,部分成熟的組織器官,例如神經細胞,就像回不去的瑞凡,失去了自我更新、或是分化的能力,因此一但受傷就無法自我增生細胞治癒。這個窮途末路,直到 2006 年日本京都大學山中伸彌教授團隊的研究發現,而峰迴路轉。

山中伸彌團隊發現,將四個基因表現到小鼠的皮膚纖維母細胞後,可以讓皮膚纖維母細胞重編程 (reprogramming) 為「誘導型多潛能幹細胞 (iPSC)」,而 iPSC 具有分化為身體各種細胞的多能性。圖/陳彥榮 @多能性幹細胞。圖說重製/張語辰。

山中教授找到 24 個對胚胎幹細胞十分重要的基因,經過逐一驗證後發現當把其中四個基因(Oct4, Sox2, Klf4, c-Myc)送入小鼠的皮膚細胞,能產生多潛能幹細胞,而這種革命性多潛能幹細胞被命名為「誘導型多潛能幹細胞 (iPSC)」。 iPSC 的發現顛覆過去幹細胞領域,使研究人員能夠在實驗室內藉由基因操作成人或小孩的細胞,進而實現了細胞的「返老還童」。

顯微鏡下的 iPSC 。小鼠胚胎纖維母細胞的功能是為了提供 iPSC 所需的生長環境 ,維持 iPSC 的不分化狀態。圖/誘導型多潛能幹細胞 (iPSC) 核心實驗室

iPSC 就像是電玩副本打王之後,打開黃金寶箱拿到的黃金鑰匙,開啟了「再生醫學」這個新天地的大門。受傷時無法自我更新的神經細胞、心肌細胞、肝臟細胞等等,現在有了重新被療癒的機會。

iPSC 技術的發展提供了一個平台,讓科學家能從患者身上製造出 iPSC ,應用於疾病生成研究或藥物開發測試使用。

iPSC 如何被發現與應用,就由中研院生醫所的 iPSC 核心實驗室黃瀞瑩博士來解說。攝影/張語辰

黃瀞瑩博士比喻,我們體內的神經細胞、心肌細胞、肝臟細胞等等,若生病受傷了就像枯萎掉落的樹葉。但藉由 iPSC 的技術,可以將快枯萎的樹葉(已分化體細胞)重新回春變成像小樹苗階段、進而長大開枝散葉。小樹苗長成不同分支的枝葉,就像是 iPSC 可分化成神經細胞、心肌細胞、肝臟細胞等不同胚層細胞。

這對人們有什麼幫助?黃瀞瑩博士舉例:「研究帕金森氏症的醫療團隊,會取病人的血液細胞,讓我們培養成 iPSC,醫療團隊就能拿回去分化成神經細胞,進行疾病生成研究。由於這些神經細胞帶有帕金森氏症病人特定基因突變點,因此,研究者就能進一步利用患者 iPSC 分化出的神經細胞,進一步了解是哪些基因調控造成帕金森氏症、或進行新的藥物篩選。」

患者 iPSC 所轉化出的體細胞,除了可用來探討疾病成因外,也能用來進行藥物開發或毒理試驗。以後不用再從病人身上反覆取得檢體,就能進行測試。

過去,有些化療藥物的副作用會造成心臟毒性,引發心衰竭,但心肌細胞要從病患身上取得較為困難。因此,謝清河研究員團隊,藉由抽取病人的血液產製出患者的 iPSC ,再將 iPSC 分化為心肌細胞。這些心肌細胞將可在體外用於藥物篩選或毒性測試,找出最適合的用藥組合,達到個人化醫療效果。

iPSC 分化出的心肌細胞,在顯微鏡下甚至會跳動!讓當天參觀實驗室的初心者都看呆了,按下影片播放鍵你也能親眼瞧瞧:

院區開放參觀,還有哪些好玩的任務?

走出誘導型多潛能幹細胞核心實驗室後,在路上攔截到三名青春洋溢的初心者,來自國立臺灣師範大學。參觀完中研院植物暨微生物學研究所,手上捧著戰利品「嬰兒的眼淚」盆栽,準備帶回宿舍照顧。

同學們手中的「嬰兒的眼淚」,枝葉小巧可愛、柔軟下垂,是容易照顧的觀葉植物。攝影/張語辰。

臺師大同學們表示,因為學校寄公告才知道中研院有開放參觀的活動,所以約了朋友一起來。但沒想到現場那麼多人,買食物也需要排隊。若之後中研院和學校發佈消息時,建議提醒參加者記得自備食物。

沿著中研院區的四分溪再往前走,看到讓許多家長會嚇到吃手手的一幕:怎麼有小妹妹在鋸木頭!家長請別擔心,這位來自桃園中山國小童軍團的妹妹,在中研院生態志工隊的指導下,正在體驗如何維護生態環境。

體驗鋸掉森林斷木的孩子,表現出認真堅毅的一面。攝影/張語辰

中研院的森林生態研究園區登山步道,經過颱風襲捲後偶爾會有一些斷木,這時生態志工就會帶著工具前往鋸木、維護森林生態步道。而院區開放這天的生態展覽與闖關遊戲,不只是問答發獎品,而是真的將斷木帶到活動現場,讓小朋友也能親身體驗,打破水泥叢林的保護,展現自然的初心。

桃園中山國小童軍團的妹妹們,用可愛的童音聊著今天參觀了哪些活動:彈烏克麗麗;用樹枝磨成粉、加水彩繪在臉上;寫甲骨文。「還有看到很多骷髏頭,一開始覺得有點恐怖,但看久就還好……骷髏頭的下巴掉了,看起來平平的……」妹妹比手畫腳地描述中研院歷史文物陳列館裡的考古館藏。

帶領童軍團的老師提到,由於最小的團員只有 2 歲,因此參觀行程都選擇小朋友也能體驗、覺得好玩的,沒有聽太專業的演講。因擔心參觀人數過多,也事先預訂了中午的便當。距離院區開放結束只剩半小時,被問到參觀有什麼心得,童軍團妹妹捧著臉害羞地說:「想在這裡玩更多地方」。

謝謝各位初心者在院區開放這天,為總是嚴肅的中研院區,帶來許多提問與笑聲!攝影/張語辰

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本著作由研之有物製作,以創用CC 姓名標示–非商業性–禁止改作 4.0 國際 授權條款釋出。

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位

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關於作者

研之有物│中央研究院

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