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明日之星‧多能幹細胞-無精症與卵巢早衰的救星

{若能於體外誘導出幹細胞,再進一步分化成精細胞和卵細胞,這對無精症以及卵巢早衰的人來說,無疑是一大福音…}

更新時間:2013-03-08 by Sunny

今年台灣生殖醫學年會邀請許多國外學者蒞臨演講,每位講者的主題內容都非常精彩,但其中令我印象最深刻的,莫過於來自匹茲堡之學者Gerald Schatten教授所分享未來希望,永遠的明日之星‧多能幹細胞(Pluripotent stem cells; PSCs)。

囊胚的內細胞團取得之多能幹細胞即是胚胎幹細胞(Embryonic Stem Cells;ESCs)。幹細胞有三大特徵,第一是具備自我更新(Self-renewal)能力,第二是能持續不斷的增生(Proliferation),最後則是可分化為三種胚層不同細胞的能力(Differentiation)。但是若從胚胎取得胚胎幹細胞,容易引發道德上的爭議,因此科學家們不斷研發,希望能夠於體外培養出胚胎幹細胞,甚至能進而分化成卵子或精子,這對於卵巢早衰無精症的人來說,無疑是一大福音。

目前共有四種方法可改變既定細胞核之設定,將一種細胞變成另一種屬性不同的細胞,甚至是將已分化之細胞回復成具備幹細胞能力,如圖一所示。然而2006年日本的Yamanaka教授團隊率先將四個特定基因送入已分化的纖維母細胞,成功使細胞重新設定,培養出具備幹細胞特性的誘導性多能幹細胞(Induced Pluripotent Stem Cells;iPS cells)。同個團隊2007年更進一步成功分化出具有生殖潛力的誘導性多能幹細胞(germline-competent iPSCs)。

圖一 誘導性多能幹細胞分化示意圖

過去研究只能利用人類胚胎幹細胞(hESCs)或是iPSCs分化成為原始生殖細胞(Primordial Germ Cells),但Gerald Schatten教授團隊今年發表於Cell Reports期刊內提到,他們分別將hESCs和iPSCs培養於精原幹細胞(Spermatogonial Stem Cell)培養條件下,並藉由偵測專屬生殖細胞特有的分子VASA+和DAZL+以證明成功誘導分化出類似生殖細胞的細胞。除此之外,也誘導出前驅精原細胞(Progenitor Spermatogonia)特有的PLZF分子表現,進一步利用此項特點以流式細胞儀收集到一部分帶有雙倍染色體之細胞。甚至直接分化出男性生殖細胞體系,並藉由偵測於各個發育階段精蟲其特有的生物標記來證明,如圖二所示。包括表現UTF1+、 CDH1+、RET+以及GFRα1+的精原細胞(Spermatogonia-like cells),HILI+的減數分裂前精母細胞(Premeiotic Spermatocytes),表現SYCP3+的減數分裂時精母細胞(Meiotic Spermatocytes),HIWI+的減數分裂後精母細胞(Postmeiotic Spermatocytes)、以及最後階段Prot1+、 TP1+、 Acrosin+的精細胞(Spermatids)。

圖二 男性生殖細胞體系特有生物標記

除了偵測特定生物標記,更進一步針對基因層次加以驗證。利用基因印記(imprinting)於精蟲製造階段會重新建立的機轉,檢視兩個imprinting基因(來自父系的H19以及來自母系的IGF2)其DNA甲基化程度,如圖三所示。顯示所分離出之雙套染色體細胞,至少有兩個imprinting基因其DNA甲基化模式與人類精蟲是相似的。綜合以上敘述,Gerald Schatten教授對於了解生殖細胞的發育與塑造機制有很大的貢獻。

圖三 不同來源細胞其H19及IGF2基因甲基化程度

另外,除了誘導分化精細胞,哈佛學者也自年輕女性的卵巢中發現具有造卵幹細胞存在,並非過去一直認為的女性出生即擁有固定卵子數。藉由成熟卵子細胞的特殊蛋白DDX4會於細胞內表現,而幹細胞的DDX4則為表面蛋白,因此利用此項特點以anti-DDX4捕捉幹細胞,如圖四所示,並接上螢光表現後注入人類卵巢,再進行切片移植到老鼠皮下做追蹤,發現後續發育出之卵子同樣具有螢光表現,並且能進一步受精以及最後形成胚胎,因此認為卵巢中確實有幹細胞存在。

圖四 利用流式細胞儀收集表現DDX4之幹細胞流程圖

幹細胞神通廣大,被希望能應用於組織細胞修復甚至培養出特定器官以供移植,可治療像帕金森氏症、多發性硬化症、心肌受損…等病人。然而在生殖醫學領域上,胚胎幹細胞的運用若是能發展到成熟階段,勢必能為無精症以及卵巢早衰等不孕患者帶來無限希望!唯有賴政策的支持與道德上的突破,才能有效運用於臨床治療階段上。

 

參考資料:

  • Nuclear Reprogramming in Cells. J. B. Gurdon, et al. Science 322, 1811 (2008)
  • Induction of Pluripotent Stem Cells from Mouse Embryonic and Adult Fibroblast Cultures by Defined Factors. Kazutoshi Takahashi, et al. Cell 126, 663–676 (2006)
  • Generation of germline-competent induced pluripotent stem cells. Keisuke Okita, et al. Nature Vol.448, No.19 (2007)
  • Direct Differentiation of Human Pluripotent Stem Cells into Haploid Spermatogenic Cells. Charles A. Easley IV, et al. Cell Reports 2, 1–7 (2012)
  • Oocyte formation by mitotically active germ cells purified from ovaries of reproductive-age women. Yvonne A R White, et al. Nature Medicine Vol.18, No.3 (2012)

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  1. 幹細胞領域研究持續推陳出新,分化出之細胞用途廣大,未來若能成功於實驗室分化出精子以及卵子,大自然製造生命的神聖任務將可由人類掌握,相信對整個生殖醫學界必定是一大躍進!或許不久未來將不再有無精症及卵巢早衰的困擾。
  2. 目前研究都還算起步階段,分化出之精子或卵子是否能夠表現所有正常功能實屬未知?需更多動物試驗甚至醫學佐證加以實證,距離實際臨床應用相信還有一段距離。
  3. 感謝送子鳥同仁Sunny認真分享與會心得,持續學習一直是送子鳥的優良文化!