簡介間質幹細胞的基礎研究與臨床運用

當一個受精卵在輸卵管形成後，起始分裂的16個 細胞，叫做全能幹細胞，它們可以變成身體所有的器官、組織，然後才慢慢分化成中胚層、內胚層及外胚層細胞，而間質幹細胞 (mesenchymal stem cells, MSC) 就是屬於中胚層細胞，它最後會分化成脂肪、骨骼、軟骨、肌肉、靭帶，甚至神經、血管、心臟、胰臟的 β 細胞以及腎臟等，儘管我們對於這類「胚胎幹細胞」的研究已很清楚，但畢竟受到道德、宗教、政治等因素的影響，發展過程有許多顧慮。

另一方面，我們也朝向「成體幹細胞」的方向努力，因為其比較單純，目前也有很多新的突破，今天談的是間質幹細胞。

自從 1970 年 Friedenstein 等¹在骨髓中發現了另外一種像纖維型態的幹細胞之後的10年，都沒有什麼特 別的進展，直到 1980 年初才由 Arnold Caplan正式命名為間質幹細胞²，科學家才對間質幹細胞才慢慢做了深度的研究。在介紹間質幹細胞之前，先為大家介紹幾個簡單的名詞:

1. 萬能(totipotent)幹細胞-泛指受精卵形成後，從 1 個受精卵分裂至 16 個細胞，這 16 個細胞中每個細胞，都可以獨立分裂分化成我們身體的任何細胞，這種胚胎幹細胞就是萬能幹細胞。

2. 全能(pluripotent)幹細胞-經過胚胎分裂成16個細胞後，形成囊胚，其中所含的內細胞質塊，可分化成 3 個部份: 1.內胚層、2.中胚層、3.外胚層，這三個胚層的細胞稱之為全能幹細胞。

3. 到了分化成系統之後，這些細胞就稱之為多能 (multipotent) 幹細胞。

間質幹細胞就是屬於多能幹細胞，它並無法像全能、萬能幹細胞那樣可以自己生自己，永生不死。

特性

間質幹細胞有 5 個特性³:

1. 有黏著性-很容易沾黏到有膠質的物質上。

2. 有聚集性—會有群聚效應（CFU—Cellular Forming Unit）

3. 它有特殊的表面抗原: CD146 (MUC-18)、 CD29 (integrin beta-1) 、 CD116(CIAM)、CD102(ICAM)、CD105、CD90、 CD73及SH3。另外有些比較年輕的MSC有一些特殊的抗原：SSEA-4(stage specific embryonic antigen-4)、EPO-R、STRO-1等。

4. 會分化成中胚層組織如:骨骼、軟骨、脂肪、血 管、肌肉等。同時在特殊的環境指令下，還會轉分化（trans differentiation）變成外胚層（如神經、皮膚）或內胚層（如心臟、肺臟、肝臟、腎臟等等）

5. 免疫調節功能—這個免疫調節是指：當我們免疫過頭（over expression）時，幫忙壓抑。而當我們免疫不足時，MSC會幫忙增強免疫力。（尤其當我們接受化療、放療後，MSC的角色是可以幫忙我們增強抵抗力的）。

功能

對於間質幹細胞的修補組織功能上，事實上MSC 並不是負擔重要的修補工作，它是一個指揮官的角色，它只是統一協調並喚醒各組織的前驅細胞(progenitor cells)去修補它們家自己的問題，包括心臟修補、肝臟修補、胰臟修補、腎臟修補等。

這邊有一個觀念要先跟大家釐清：幹細胞治療絕對不是把我們的身體受損的組織，修補起來。 我們每秒鐘有將近150萬個血球細胞死亡以及增生。我們每天身體有將近50到70億個細胞死亡、重生。這中間有將近20億個細胞數目的差距。目前主要是分三個階段：第一個階段：是指出生到18歲，這個時期我們新生的細胞會超過死亡的細胞，所以我們會慢慢地長大，而18歲到35歲這個階段是屬於平衡狀態，大概死多少細胞就會生多少細胞，過了35歲我們身體就會開始漸漸衰老，主要是我們生的細胞無法補足死亡的細胞，而且隨著年齡的增加，疾病的產生，也會讓我們死亡的細胞越來越超過新生的細胞，最後衰老而亡。而我們幹細胞治療每次給予的大約是8000萬到1億個幹細胞，相對於身體每天都有50到70億個細胞新生，我們能夠幫忙調節整個身體受損的細胞幾乎是微乎其微的！所以幹細胞治療主要是如何喚醒我們身體的原始幹細胞，讓身體能夠恢復到35歲以前，死多少補多少。詳見本文

同時要做組織再生的工程至少要有3個條件⁴:

1. 具有分化及修補能力的細胞。
2. 要有能培養這些細胞的適度營養液。
3. 要有一些基本架構，同時這個架構必須能讓細胞生長，分裂及分化成架構上的樣子。

在臨床上MSC的工作主要是:(1)幫忙恢復及修復受傷的組織;(2)幫忙造血幹細胞( hemopoetic stem cell)能平安順利的移植到該到的受體中;(3)調節免疫系統，包括移植後的免疫反應。

間質幹細胞的免疫調節功能

因為他們含有我們免疫細胞最重要的辨識系統， MHC(major histocompability complex主要組織相容性 抗原複合體I及II)，同時表面抗原中還含有:(1)淋巴球相關功能抗原;(2)血管內皮細胞沾黏因子;(3) 細胞內沾黏因子，不僅可抑制T細胞的活性，同時可 調節CD4+、CD8+的活性，同時也間接抑制樹突細胞，並減少這些細胞分泌一些發炎反應的細胞激素。

目前所知間質幹細胞的免疫調節T細胞的機轉是經由 TGF-β 的訊息，然後利用它本身的一種水溶性因子也 是一種酶稱為 indoleamine-2,3-dioxygenase(IDO)，它把一個必需胺基酸-色胺酸 (L-tryptophen) 分解掉產生的 代謝物 N-formylnurenine ，它具有免疫調節的功能，而另外它還會分泌前列腺素 (prostaglandins E2) 來修飾巨噬細胞 (macrophage) 以及分泌 IL-10 來調節免疫反應， 而間質幹細胞也會分泌一氧化氮(NO)對T細胞的調節抑 制也扮演非常重要的角色。如圖1的調節功能⁵。 不過這些作用，有個基本前題，就是MSC的量一定要足夠，至少MSC每公斤要150萬到200萬以上，這在正常人體的濃度是不太可能存在的，必須額外培養增生到一定的量後，再輸入體內作用。

來源

來源最多的還是我們的骨髓腔，它裏面的細胞中 1% 是造血幹細胞，只有 0.001%-0.01% 是間質幹細胞，感 覺上好像含量很少，但它卻已經是我們身體內含間質 幹細胞最豐富的地方了，其次如臍帶、脂肪組織、 皮膚、周邊血，甚至羊水、胎盤及關節液等，都有間質幹細胞，只是量太少必須靠一些特殊的培養技術來提高它的數量。目前主要來源為：臍帶及脂肪。但臍帶是異體的（目前法規不允許）。「脂肪幹細胞」我說一下我自己的經驗以及世界其他人的經驗—首先我要說明：脂肪細胞自身裡面是沒有幹細胞的。它們的幹細胞是脂肪外面微小血管上面的「管壁細胞」剝落後，轉化而成。而脂肪幹細胞是屬於比較老的幹細胞（因為脂肪不會複製）。

目前骨髓來源的幹細胞雖合法，但侵犯性太大，風險太高。而周邊血的幹細胞就是從骨髓來的，所以直接抽血培養（相較於抽骨髓），安全性、簡單性肯定較好！活性及修補能力與免疫調節能力，亦比骨髓好。

其實目前效果最好、免疫調節、抗發炎反應最佳，相對培養成本是最低的是「皮膚間質幹細胞」（因為皮膚 14-21 天就更新一次）

相較之下，若直接抽取自骨髓，容易抽到許多不成熟的幹細胞；既使用驅動因子（G-CSF），把骨髓的幹細胞驅動到周邊血（其實 99% 都會是造血幹細胞），會有許多副作用：包括：骨髓壞死、骨質疏鬆，甚至有9000-10000分之一會有「急性心肌梗塞」的機會。

因此，直接抽周邊血（不打驅動因子）當然既安全又簡單，又絕對都是成熟可以工作的幹細胞。（如果把骨髓當成新兵訓練中心，周邊血的幹細胞就是已經訓練好的戰士），只是周邊血的幹細胞都是屬於「暫時性 transient」的幹細胞，一方面非常稀少，一方面時間抓不準，就沒有。因為幹細胞在血中只是過客，它主要的目的地，不是血。所以雖然大家都知道，只要抽血培養間質幹細胞，但卻非常非常困難，因為如果在不打驅動因子的情況下，血中幾乎是沒有太多的間質幹細胞的（它們會在血中都是短暫的，主要是去各個組織器官內工作）。

很幸運的！我取得了這項技術的世界專利「自周邊血培養間質幹細胞的方法及其用途，專利證號：發明第 I656215 號」。目前與林口長庚大學合作，經過IRB核准進行臨床研究中，預計於明年(2021年)投稿國際期刊。

基礎研究

從基礎研究轉移到臨床運用的徑路上，有4個重要的幹細胞療法觀念及事情要確立並做到，才有可能往下走下去⁶。

1. 確定你的幹細胞不論是造血幹細胞或間質幹細胞，真的是有分裂分化能力且一直可以永生不死的幹細胞，幹細胞有他們的特殊的標籤及表面抗原，至少要具備這些特性，才可稱為他們是幹細胞，否則還可能有污染造成感染的風險，得不償失。現今很多招搖撞騙的幹細胞治療， 90% 以上的細胞都不是幹細胞，甚至不是「細胞」，治療怎麼可能有效。

2. 對於間質幹細胞而言，他們的量本來就比較少，從骨髓抽出 1cc 的骨髓液中，造血幹細胞與間質幹細胞的比例約為 10000:1 ，數量這麼少，如何增加他們的數量是我們幹細胞療法很重要的工作，大部份的幹細胞在體外會因一直分裂而老化，數量更少，如何能增加這些幹細胞的數量，又還能維持他們的活性，為了解這個問題，丹麥的 Abdallah 等利用特殊基因活化幹細胞的終端酶轉化酶 (telomerase reverse transcriptase) 的活性使幹細胞不容易老化，而可以大量分裂並使數量能增加，有些報告發現即使在實驗室儲存 25 年也還可保持他們的活性，不過這些被活化終端酶的幹細胞，平均也都只有半年的壽命，所以還是愈早轉移到人體愈好⁷。

3. 如何管控指揮這些幹細胞變成我們想要的組織。幹細胞可以分化成我們身體所有的組織、器官，間質幹細胞主要是分化成：骨骼、軟骨及脂肪組織，以及轉分化成皮膚、神經及內臟器官等，如何調控分化的指令，除了特殊的培養液之外，各種不同的生長因子也扮演重要的角色⁸。

基本上有二種方式：

1. 從遺傳基因特殊的傳譯因子，不同組織有不同傳譯因子著手，理論上雖可行，但要實際運用到臨床上可能很困難。

2. 利用組織器官本身的特殊微環境，如利基(niche)，這些微環境有這個組織特有的訊息及荷爾蒙以及生長因子，這種方法目前可以利用全球定量蛋白質體學的穩定同位素標記法，分析進一步受訊息影響的生長因子的蛋白質變化，並且能定量的確定要如何使幹細胞分化到我們想要的器官組織。

3. 注射到人體血管內的幹細胞，如何穿透血管壁到確定的組織進行修補工作，是一個很大的挑戰及難題，因為 Caplan 等人在 1994 年就發現，間質幹細胞，從靜脈注射進去後很難穿透我們的血管壁到特殊的器官上，最後大多都停留在肺泡內。後來 Dennis 的團隊在 2001 年及 Bentzon 的團隊在 2005 年也都發表過文章探討如何增加間質幹細胞治療的功效。近來 Francois 等在 2006 年 Stem Cells 上發表：利用局部放射療法，可以刺激並增進間質幹細胞修補的功效⁹。所以一些適度的壓力，不一定要利用放射療法，或許一些比較低劑量穩定的 LED 光療，也可幫助間質幹細胞進入特殊器官幫助修補的功效，這些適度的壓力調節還包括：暫時性的缺氧、暫時的熱效應等，都有待未來好好的研究，真正促使間質幹細胞能透微血管壁到重要器官的真正訊息及機轉，才能真正的讓幹細胞療法運用到臨床上。

臨床運用及成功個案

略，詳情請參閱作者投稿於《台灣醫界 Taiwan Medical Journal》之期刊 (54卷12期) - 簡介間質幹細胞的基礎研究與臨床運用。

結語

雖然許多實驗室及醫學中心都有令人滿意及期待的成果，許多文獻也把間質幹細胞形容的活靈活現，但真正它轉化成我們身體各個組織的詳細機轉及它的免疫調節機制，其實不是很清楚，許多醫學中心也做了許多實驗，雖然大多都很成功，或許沒有想像中的好¹⁰。但理論上它是可以修補我們身體中的所有組織。到現在為止，不論實驗室或臨床上，已經從骨骼的分化成功，到軟骨、心臟、神經都有成功的案例。尤其對於第一型糖尿病的問題，總部設在紐約的少年型糖尿病國際研究中心主任 Lewis 教授更預期十年之內可以把第一型糖尿病治癒，這中間當然要靠間質幹細胞的幫忙¹¹。

今年由於COVID-19的疫情，改變了全世界都生活。而肺臟嚴重損傷的患者，死亡率非常高，國際上陸續都有用間質幹細胞治療嚴重肺部疾病成功的案例。

所以間質幹細胞－它可視為我們身體組織的天使，任何時間、任何地方，只要需要它，它就會過去。老子道德經：「上善若水，水利萬物而不爭」間質幹細胞就是我們的「生命之水」！期待在MSC 的免疫調節的功能幫助下，未來對於器官移植、自體免疫，甚至癌症治療都將會有長足的進步，為我們人類的健康，尤其一些過去束手無策的疾病帶來新的希望，更期待在周邊血、脂肪以及皮膚幹細胞，能提供更多元、更方便的間質幹細胞來源。

聲明

本文原投稿於《台灣醫界 Taiwan Medical Journal》- 54卷12期，近年醫學不斷進步，筆者臨床經驗亦愈趨豐富，增加一些觀點與民眾分享。

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References