科學人 發行日期:2012/12 刊號:130
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撰文╱笹井芳樹(Yoshiki Sasai) 翻譯╱涂可欣

 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
■幹細胞可以分化形成動物體內所有器官,這個過程讓科學家覺既嚮往又困惑。
■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。
■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。

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