【科幻科學報 No.657】訂做你的眼─科幻科學報─智邦公益電子報
enews.url.com.tw · August 01,2017最ＩＮ話題 ■ 訂做你的眼
▌文╱笹井芳樹（Yoshiki Sasai）
▌譯╱涂可欣
▌提供／科學人
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，3~4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。
層層堆疊視網膜
培養皿中的細胞會展現我們在胚胎見到的正常發育過程：留在培養液中的視杯組織兩週後長到直徑約兩毫米，單層視網膜上皮細胞也像胚胎一樣轉變為多層構造，具有動物出生後視網膜上所有的六種細胞，包含了最外層的感光受體，和最內層負責連結視網膜和大腦的節細胞，而這兩種細胞層之間，則和真正視網膜一樣有數層中間神經元（interneuron）。這些轉變同樣由內在機制指揮該製造哪些種類的細胞，以及如何排列出立體構造。
工作尚未結束，我們還想找出許多問題的答案，例如視杯是如何形成的，以及細胞球如何產生特定的模式結構。一團均勻物質自發產生複雜形狀的現象稱為「失稱」（symmetry breaking），在胚胎發育過程中，處處可見失稱現象，如果不是它，受精卵的重複分裂只會停留在未分化細胞團的階段。具有自我組織能力的胚胎幹細胞培養，似乎很適合用來研究哺乳類撲朔迷離的胚胎發育過程。
還有一個迫切待解的問題︰是什麼樣的機制讓最初為單層細胞的視網膜神經上皮形成視杯構造？在一般情況下，機械力和堅硬度會控制上皮組織的改變，透過測量培養皿中視杯形成過程中，上皮細胞各部位的受力方向和組織堅硬度，我們發現視杯構造的形成經歷了三個步驟。當視杯形成時，視網膜的堅硬度降低、可彎曲性增加，位於視網膜和上皮交界處的細胞也同時轉變為楔形，最後視網膜因快速擴張而向內彎曲。這三個步驟對視杯的發展極為重要，事實上，當我們把組織力學的條件輸入電腦，程式模擬的結果也是類似的酒杯形狀。
視清目明
聽過我們研究的人都想知道，小鼠胚胎幹細胞的實驗最後是否能幫助眼疾患者。我們在這方面也有些進展。我們最近剛發表人類胚胎幹細胞形成視杯和多層神經構造的成果，我們預期相同的培養方法也可用於人類誘導多能性幹細胞（induced pluripotent stem cell, iPS cell），這類幹細胞原本是成熟細胞，在刺激下逆轉了發育過程，重獲胚胎幹細胞的特性。此外，我們也發明了一套冷凍保存法，可將衍生自人類胚胎幹細胞的視網膜組織保存在液態氮中。
這些研究都讓我們更靠近醫學應用的目標，舉例來說，我們培養的人造視網膜可幫助研究人員探討常見眼疾的病理機制，進而研發出可逆轉視網膜退化的藥物或基因療法。
有三種視網膜退化疾病的患者，最有可能受惠於我們的研究：黃斑退化、色素性視網膜炎（retinitis pigmentosa）和青光眼。這三種眼疾影響了全世界數百萬人，疾病的成因分別發生在視網膜不同的細胞層。黃斑退化是由於支持組織損毀，波及上皮層，導致感光受體衰退所造成的，視網膜中央區域受到的影響最嚴重；色素性視網膜炎則會造成桿細胞逐年減少，最常見的初期症狀為夜盲症，之後患者會失去大部份的視野，只剩下中央一小塊區域還能視物；青光眼會導致節細胞受損，影響節細胞連結視網膜和大腦後側視覺處理中心的視神經。
在這三種眼疾中，黃斑退化看起來最適合以替代的細胞來治療。不管是以傳統培養法或是我們研發的方法，都很容易讓人類胚胎幹細胞或iPS細胞分化出視網膜色素上皮這種支持組織，並直接取得培養細胞。小型的初期臨床試驗已在美國展開，類似的試驗也將在其他國家進行。在臨床試驗中，科學家會以細針將衍生自幹細胞的色素上皮細胞，注射到色素上皮和感光受體細胞層之間，來取代一些受損的細胞。
色素性視網膜炎的細胞療法則需要新的技術，才能應用在人類身上。雖然我們的培養技術超越了傳統的培養方法，能生產出適合移植的一片桿細胞組織，但還缺乏一個關鍵工具。和支持性上皮組織不同的是，移植的整片組織中的感光受體必須融入眼睛的神經線路，尤其是必須與另一種感覺細胞：雙極細胞（bipolar cell）建立連結。我們還不知道讓移植細胞有效建立神經連結的方法，如果能夠克服這問題，即使是末期色素性視網膜炎，都可因移植感光受體而恢復一些視力。
青光眼是這三種眼疾中最難藉由細胞療法治癒的。雖然我們可用胚胎幹細胞培養節細胞，然而在動物出生後，視神經的生長就受到抑制，現在還沒有人找到能誘導軸突（構成視神經、負責把信號送到大腦的神經元分支）重新與其他細胞建立連結的方法。
相較於把細胞置於如一層皮膚或膀胱狀支架的人造組織工程學，胚胎幹細胞所衍生出來的組織，可以應用的範圍更寬廣。身為研究人員，我們必須以謙遜及耐心的態度，向發育細胞學習一個細胞如何長成眼睛等複雜器官的精密過程。
（原載《科學人》雜誌2012年12月第130期）
科學小視窗 ■ 美業者推15億美元登月行程
▌文／科科報編輯小組
自從40年前阿姆斯壯登陸月球後，已有40年沒再有人類足跡踏上月球。美國一家民間太空業者發表計劃，預計在10年內推出月球旅遊，讓人花15億美元就可完成登月夢想。
由NASA前官員開設的Golden Spike公司推出月球旅行計畫，董事長Gerry Griffin接受外電訪問時說，他們的願景是要創造可靠、負擔得起的商業載人月球運輸系統。
該公司估算，第1趟任務要70億到80億美元投資，之後價格會降到2天2人同行15億美元，除了吸引個人觀光客外，也可讓想登月但技術不足的國家藉此送人上月球。
