神奇的干细胞:活跃的造血干细胞

科学家针对具有形成各种血液细胞能力的干细胞-造血干细胞的研究,已经有超过50年的经验,并有足够的知识和经验应用于临床治疗上。西元1945年美军的两颗原子弹如同死神般降临日本的广岛与长崎,一方面结束了第2次世界大战,另一方面也开启了造血干细胞研究的滥觞。当时便发现人类经过大量放射线的照射后,会造成染色体变异与造血系统伤害的后遗症。

在50年代,科学家在老鼠的试验中,确认放射线对生物体最直接的伤害是造成骨髓造血功能的破坏,奠定了在60年代造血干细胞的发现与骨髓移植的基础。之后科学家发现不仅在骨髓中,在经过颗粒性白血球群落刺激因子(G-CSF)药物施打后的周边血液,或是在新生儿的胎盘脐带血液中,同样可以找到丰富的造血干细胞,并可取代骨髓移植。自此之后「骨髓移植」正名为「造血干细胞移植」,成为所有干细胞在临床应用上的领先者。

造血干细胞的特性

人体内的血液约占体重的7~8%,以60公斤的成人而言,约有4,200至4,800 c.c.,血液分为血浆和血球两部分。血浆略呈淡黄色,其中约有9成是水,其余的大部分是血浆蛋白(包括许多抗体、激素、酵素等),以及微量的养分、代谢废物与气体。

血球可分为淋巴系血球与髓系血球。淋巴系血球包括B淋巴球、T淋巴球与自然杀手细胞,构成人体的免疫系统,循环全身,搜捕外来的抗原物质,并产生免疫反应把它消灭掉。髓系血球分为红血球、白血球和血小板,分别具有协助气体运输、防御疾病、血液凝固等功能。

不同的血球细胞有不同的生命周期,从数小时到数个月都有,人体内每天必须产生约1千亿个血液细胞,以补充血液细胞正常的老化与耗损,并达到人体正常的生理平衡。这么大量血液细胞的生产,全部仰赖一群极少数的造血干细胞,由此可见造血干细胞在人体内的重要性与活跃的程度。

造血干细胞是指在血液或骨髓中具有下列能力的细胞:能自我更新,即细胞在分裂后的子代中,其中至少一个子代细胞保持与未分裂前相同的特性,并且能不断地分裂;能分化成多种特定的血球细胞;能从骨髓移动到周边循环血液中以及回归到骨髓中的能力,这是造血干细胞移植的重要基础。

造血干细胞在人体内定居的位置是骨髓,约占骨髓中单核细胞的百分之一,极少数的造血干细胞会出现在周边血液中,约占周边血液中单核细胞的千分之一(若经过G-CSF药物的刺激,可以提升10倍,这是周边血液造血干细胞移植的来源)。至于原本视为产后废弃物的脐带血,在发现其中含有比率接近骨髓的造血干细胞后,一夕之间废土变黄金,不仅带动了脐带血保存银行的蓬勃发展,也为造血干细胞移植提供了更多样化的选择。

造血干细胞的判定

最早造血干细胞的研究瓶颈在于判定何种细胞是造血干细胞,以及何种不是,且仅能知道在一群细胞中是否含有造血干细胞,这个瓶颈的关键点在于血液中造血干细胞的数量非常稀少。

为了突破这个瓶颈,科学家开始研发各种的测试方法来判定造血干细胞,最早可以追溯到1960年代,主要是针对造血干细胞的定义与特徵进行探讨。造血干细胞外型与生理表现上类似白血球,因此很难利用型态上大小与形状的差异来分辨造血干细胞。造血干细胞的判定多半需要长时间的测试,在实验室中,通常藉由是否具有进一步分裂与分化的能力来判断是否为造血干细胞。

体外的测试是在一个模拟骨髓的环境中培养细胞,这个环境通常是由老鼠的纤维母细胞或是人类的其他细胞所组成的,经过6周的培养后,能够存活下来的细胞就被视为具有长期分裂能力的细胞。接着把存活的细胞种入含有特殊生长条件的半固态软胶培养基中,经过两周的培养,若能形成各种不同血球前驱细胞的群落,就代表这些细胞具有进一步分化成特定血液细胞的能力。同时具备长期分裂与特定分化能力的细胞,基本上才可认定是造血干细胞。

在动物实验中,多年来用来判断从老鼠骨髓中取得的细胞是否为造血干细胞的「黄金标準」,是把细胞移植到经放射线照射破坏自身造血功能的老鼠体内,如果老鼠能恢复健康,且体内能重新生产各种型态并带有捐赠细胞基因标誌的血球细胞,就可以认定移植的细胞中包含了造血干细胞。同样地,把人类造血干细胞移植到经放射线照射后的老鼠体内,可用来测试这些细胞在老鼠生命周期中的自我更新与恢复造血功能的能力。但是在人类长达数十年的生命周期中是否具有相同的结果,至今仍是一个相当大的疑问!

在临床上,由于时间上的紧迫,必须快速地判定细胞的量和特性是否适合移植,因此判断是否为造血干细胞的指标通常是根据细胞表面抗原的表现。最常做为判定的抗原是CD34,是一种细胞膜表面上的特殊蛋白。一般而言,移植的标準是每公斤的病人需要500万个带有CD34表面抗原的细胞,才能保证移植的成功率。

许多的证据显示,虽然造血干细胞都带有CD34表面抗原,然而并非所有带有CD34表面抗原的细胞都是造血干细胞。经过长期的研究,逐渐发现真正的造血干细胞的表面抗原表现应该是同时带有CD34、CD90、CD133,以及不带有CD38的细胞。利用细胞表面抗原的表现也只能做粗略的判断,直到现在,属于造血干细胞特有的专一表面抗原尚未发现。

造血干细胞的应用

造血干细胞的功能是负责生产各种成熟的血球,以维持血液系统的正常生理功能。举凡各种跟血液有关的疾病,或多或少都与造血干细胞的异常有关,因此大部分都能藉由正常造血干细胞的移植来达到治疗的目的。这类的疾病包括常见的白血病与淋巴瘤(也就是通称的血癌)、遗传性的贫血与代谢异常(如镰刀型贫血、Fanconi氏贫血、黏多醣症等,其中Fanconi氏贫血是世界第1例利用脐带血移植来治疗的疾病),以及自体免疫性疾病(包括类风湿性关节炎、红斑性狼疮等)。

在治疗上,病人先经过放射线治疗或化学治疗,并尽可能地用最大限度来破坏异常的骨髓造血系统,然后再进行正常造血干细胞的移植,以进驻之前骨髓所清出的空间来发挥功能,恢复病人正常的造血能力。通常移植的造血干细胞必须经过人类白血球细胞表面抗原(HLAs)的比对,以降低病人的免疫排斥反应。

所谓的人类白血球细胞表面抗原,简单来说就是白血球的血型,一共有6个位点,病人与捐赠者的比对必须达到6个位点完全符合,才能进行骨髓或是周边血液造血干细胞的移植。通常在亲兄弟姐妹中,约有四分之一的机率可以完全符合,至于无血缘者间比对相符的机会很低,大约是十万分之一。由于新生儿的免疫系统尚未发展成熟,因此利用脐带血移植的优点是在比对上比较宽鬆,只要达到4个位点以上的符合就能够进行移植,这也是为什么许多国家都有公营或私人的脐带血库的建置。

造血干细胞应用的展望

造血干细胞的体外增殖 造血干细胞移植的成功与否,除了人类白血球细胞表面抗原比对是否符合外,另一个关键的因素就是造血干细胞数量是否足够。临床上最常遇到的数量不足的情况有两种,一是进行脐带血移植的时候,二是癌症病人进行自体造血干细胞移植的时候。

脐带血中虽有较高比率的造血干细胞,然而所能收集的血液体积有限(约100 c.c.或更低),导致移植时一般局限于体重20公斤以下的患者。此外,在癌症患者由周边血液收集造血干细胞以进行移植时,常常因为疾病的本身就属于造血功能方面的疾病,导致所能蒐集到的正常造血干细胞不足,无法达到治疗效果。

因此目前在造血干细胞的发展上,最急迫的就是开发符合临床要求的造血干细胞体外增殖培养系统,使少量且珍贵的造血干细胞得以大量地增殖,以达到临床移植数量的标準。

固态肿瘤的治疗 造血干细胞除了一般认为具有恢复造血的功能外,还有一个令人惊讶的特性,就是它能够攻击肿瘤细胞。在临床上,针对患有转移性肾癌的38名病患进行异体造血干细胞的移植,发现约有一半患者的肿瘤体积会缩小。目前推测原因在于虽然病患体内的肿瘤能够躲过自体免疫系统的攻击而长大,然而新移植的异体造血干细胞,能够在病患体内建立新的免疫系统,具有对癌细胞进行毒杀的能力,也就是所谓的Graft-Versus-Tumor,进而抑制肿瘤的生长或是消灭肿瘤。

目前这类的研究已经扩展到其他固态肿瘤的治疗,包括肺癌、前列腺癌、卵巢癌、结肠癌、食道癌、肝癌与胰腺癌,在未来相信可以为癌症的治疗带来新的疗法。

基因治疗 自1989年的第1例人类基因治疗到目前为止,已有上千件的临床试验计画,其中超过一半以上是针对癌症进行治疗,也就是说基因治疗应用于非遗传性疾病更甚于遗传性疾病,由此可见基因治疗的多样性与重要性。然而多年来的研究仍有许多待突破的瓶颈,例如病毒感染效率不佳、体外操作程序的複杂、外源基因无法长期表现、免疫排斥反应的产生等,其中又以无法达到全身性的矫正是最大的难题。

利用造血干细胞做为基因治疗的靶细胞,有着胜过以其他细胞做为靶细胞的优点,例如造血干细胞具有自我更新与无限制分裂的能力,能解决外源基因无法长期表现的问题;并且当造血干细胞分化为血液细胞后,是属于全身性的分布与循环,能够达到最大範围的基因矫正。因此当前许多基因治疗的计画,都是以造血干细胞为主要的研究对象。

多样性分化 一般认为造血干细胞只具有分化为各种血球细胞的能力,但是目前许多研究发现,造血干细胞另外有着令人讶异的跨胚层分化能力,能够分化成为非血液系统的细胞,例如血管内皮细胞、肝脏细胞、心肌细胞、神经细胞等。虽然这一部分的发现仍有许多争议,有人质疑可能是细胞融合所造成的假象,或是这些现象并非单独由造血干细胞造成的,而是由多种的干细胞或是更原始的干细胞所表现出的结果。但无论是融合或是真正跨胚层分化能力,只要有医疗功能,都为再生医学带来无穷的希望。

血癌干细胞的研究 血癌发病的原因,一般认为是体内造血系统的调控机制产生错误,造成特定的血球细胞大量增生,或是特定的血球前驱细胞无法进一步分化成熟。

近来有一些研究认为,血癌的产生是由一群血癌干细胞所造成的。血癌干细胞的特性接近造血干细胞,会不断地产生血癌细胞,导致病人在经过治疗后有相当高的复发机率。因此有许多人提出针对血癌干细胞的专一毒杀疗法,来取代传统全面性的破坏疗法,希望能提高血癌的疗效,并降低复发率和治疗过程对病人的副作用。

由于血癌干细胞与造血干细胞的性质相近,因此对造血干细胞长期的研发经验,可做为研究血癌干细胞的基础,并且为开发血癌的新疗法提供更有力的后盾。

经过五十多年来的研究与临床试验,造血干细胞已经成为最被人们所了解的干细胞,并且也是应用最广的干细胞。直到今天,依然不断地有快速的突破与发展,也为许多新的临床治疗奠定了良好的基础,甚至带动了许多新兴产业的出现。儘管如此,如何有效率地大量体外增殖造血干细胞仍是首要的研究课题,也是突破许多研究与临床应用瓶颈的利器。相信在众多研究人员不断的努力下,造血干细胞的应用一定能发展得更「成熟」、「活跃」,为人类的生命带来更好的保障。

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