【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。