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撰文/井芳樹(Yoshiki Sasai)
翻譯/涂可欣(取材自科學人雜誌)

生物學家能誘導幹細胞形成視網膜,朝體外培養替代器官邁進一步。

重點提要
1.幹細胞可以分化形成動物體內所有器官,這個過程讓科學家既嚮往又困惑。
2.一支頂尖的日本研究團隊證明,可以利用胚胎幹細胞在實驗室培育出人類和小鼠的視網膜。
3.這些實驗讓我們更了解大腦的發育過程,而且從中獲得的知識或許最後可用來治療眼睛疾病。

在子宮內,胚胎最早是一團由相同細胞構成的球體,由此分化出各種不同類型的細胞,形成井然有序的結構,最後成為人體所有的器官。其過程全靠生物的內在章法指揮,讓每個曲皺摺疊的組織按部就班地長成適當的形狀和大小。

科學家對於簡單構造演變到複雜系統已經很熟悉了,在探究胚胎發育機制時卻仍然總是帶著讚歎,並且渴望在實驗室裡複製早期發育的過程。他們除了想更深入了解生物學,也希望能應用這些知識來修補、替換受損的組織。這個時機可能已經到了,最近科學家在研究複雜發育的機制上大有斬獲,可能不出10年,以體外培養出的替代器官進行移植的願景,就可以實現。

懸浮培養幹細胞

我對這預測的樂觀態度,來自於我實驗室最近的幹細胞研究。幹細胞能分化出其他類型的細胞,我們的研究顯示,實驗室培養的幹細胞可長成視網膜,這是眼睛內負責將光線轉為電和化學信號、再傳遞到大腦的關鍵構造。我們在其他研究中也曾培養出腦的皮質組織和部份腦下腺,在進行這些實驗時,我們應用了對生物體內信號系統的豐富知識,來誘導培養皿中一層扁平分散的細胞形成立體結構。在化學信號的刺激之下,幹細胞自己組織形成視網膜,這個成功點燃了我們的希望,或許我們能利用這方法培養視網膜組織,來治療黃斑退化等眼疾。

我們一開始嘗試培養視網膜時,是想找出基本的發育機制。我們知道視網膜源自胚胎大腦的間腦(dience-phalon),在發育初期,間腦某區域擴張形成如氣球般的視胞(optic vesicle),接著視胞向內摺疊成視杯(optic cup),視杯最後再逐漸轉變為視網膜。

關於視杯形成的確切機制,生物學家爭論了一個世紀,即使到現在,研究腦發育的科學家仍有不同的見解。其中一個懸而未解的問題是:像水晶體和角膜等鄰近的構造,是否扮演了某些角色。有些科學家認為,水晶體會推視網膜向內凹;也有科學家斷言,就算沒有水晶體的幫助,視杯也能形成。

要觀察母體內發育中的胚胎非常困難,於是我的研究團隊在10年前決定單看眼球發育過程,看看能不能得到更多知識。我們的做法是把胚胎幹細胞放在培養皿中,讓它們接觸會促進眼睛發育的化學分子,然後觀察細胞的變化。胚胎幹細胞是最不成熟的幹細胞,可分化出動物體內從神經元到肌肉細胞等所有類型的組織。

那時並沒有利用培養幹細胞來製造器官的技術,組織工程學家嘗試把這些細胞置於形狀像膀胱或食道的人工支架上,希望能長出新器官,但結果成敗參半,因此我們改採不同策略。當我們2000年初次嘗試時,設計了一套細胞培養方法,想讓小鼠胚胎幹細胞發育成不同類型的神經元。我們把小鼠胚胎幹細胞和餵養細胞(feeder cell)一起放在培養皿中,餵養細胞會釋出促使幹細胞成熟的化學信號。我們很清楚這樣一層扁平的細胞並不會複製形成真正立體的器官,但仍想看看只有化學信號,是否足以指揮細胞自動形成具有眼睛發育初期特徵的特殊神經元。

實驗剛開始並不成功,但到了2005年,我們在技術上有了突破,發明了可以擺脫早期幹細胞技術平面限制的培養方法:我們讓幹細胞懸浮在培養液中。會採用這種讓細胞可在空間中移動的懸浮培養法,有兩個理由:第一,立體的細胞聚集比扁平細胞層更容易形成複雜的組織結構;再者,細胞之間需要密切交流才能發展出複雜構造,而立體培養方法讓細胞更能靈活聯繫,促進細胞間傳訊。

我們利用新的培養法,讓細胞懸浮在微量液體培養基中,在培養盤的小凹槽裡培養。然後我們發現,細胞開始找到同伴並黏聚在一起,每個小凹槽中有大約3000個細胞形成的聚集,可分化出腦部前側的神經前驅細胞(未成熟的神經細胞)。接著細胞開始互送信號,3至4天後,形成了由一層神經上皮(neuroepithelium)細胞構成的中空球體。我們稱這培養方法為「快速重組類胚胎體懸浮於血清培養法」(serum-free floating culture of embryoid body-like aggregate with quick reaggregation, SFEBq)。

胚胎中的神經上皮細胞在收到外來化學信號後,最後會形成特定的腦構造。其中一個信號會啟動間腦的發育,間腦再衍生出視網膜和下視丘(控制食慾和其他身體基本功能的腦區)。我們培養出細胞聚集球後,在SFEBq加入一些與視網膜分化有關的蛋白質,試圖讓這些細胞進一步分化出視網膜前驅細胞。

細胞球懸浮在培養液中幾天後,視網膜上皮組織開始向外凸出,形成類似視胞的囊泡,接著這個囊泡自行改變形狀:細胞球本體的上皮向內凹摺,細胞的移動產生了有如白蘭地酒杯的構造,類似胚胎眼睛發育過程中的視杯。

換句話說,培養皿中懸浮的幹細胞團可以形成井然有序的構造,這真是讓人眼睛一亮。它們不像正常胚胎發育時有水晶體或角膜相鄰,卻仍能形成視杯構造。長久以來視網膜發育是否需要鄰近組織(像是水晶體細胞)幫助的疑問,現在有了明確的回答。至少在體外實驗,視網膜形成是一個自我組織的現象,僅靠細胞內在機制即已足夠。


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