自 1961 年首度發現幹細胞（stem cell）的存在至今，人類在該領域如火如荼的探索與挖掘，讓幹細胞在醫療與生技研發上不斷邁向新的里程碑（圖一）。幹細胞之所以能扮演如此重要角色，主要歸功於其獨具的三大能力：自我更新（self-renewal）、單株性（clonality）以及分化潛能（potency）[1,2]。依據其分化潛能，人們後續將幹細胞分為全能幹細胞（totipotent stem cell）、富潛能幹細胞（pluripotent stem cell）、多潛能幹細胞（multipotent stem cell）以及單能幹細胞（unipotent stem cell）這四種。 2021 年 12 月，我們針對胚胎幹細胞（embryonic stem cell, ESC）、誘導多功能性幹細胞（induced pluripotent stem cell, iPSC）這兩種富潛能幹細胞，以及屬於多潛能幹細胞的間葉幹細胞（mesenchymal stem cell, MSC）報導近期在發育生物學和組織工程學領域的研究成果。
圖一、幹細胞領域研究的重要里程碑。
圖片來源：https://doi.org/10.1007/s12015-019-09935-x
生殖醫學與幹細胞模式系統的突破
目前在生殖醫學領域，最大的困境莫過於卵子的數量與品質。隨著體外配子生成技術（in vitro gametogenesis, IVG）和體外受精技術（in vitro fertilization, IVF）的演進，人類求子之途有了新的可能性。日本研究團隊成功在小鼠模型上利用 ESC 建立卵子之後，進一步發現這些卵子的成熟與卵巢體細胞環境息息相關，於是同樣利用小鼠 ESC 建立可比擬卵巢體細胞環境的模式系統，並且透過實驗證實這些利用 ESC 建立的小鼠體外卵子與卵巢濾泡培養系統有能力進行成熟分化，產出具生殖能力的後代 [3]。
除了透過科學直接解決臨床需求之外，若能深入了解胚胎發育過程背後的機轉，也能為生殖醫學解答許多疑問。許多研究團隊試圖建立幹細胞體外培養模式來探討胚胎發育機制，其中包括結合 ESC、滋胚層幹細胞（trophoblast stem cells, TSCs）與胚外內胚層幹細胞（extraembryonic endoderm stem cells, XEN）所建立的 ETX 模型。基於 ETX 模型在研究上的侷限，英國研究團隊將原先的 ETX 模型改良成誘導 ETX（induced ETX, iETX）模型，構建更貼近著床後胚胎的幹細胞模式系統，克服既有技術所遭遇的困境 [4]。
類器官 — 新型科學研究模型
談到科學研究，就不能忽略模型建立（modeling）的重要性。從實驗室中常見的各種細胞株，到經常用於研究後期確效的動物模型，這些模型對於人類在機轉探討和藥物篩選上皆貢獻卓著，然也各有其優缺點。細胞株基於其便利性和可高通量操作的特質，往往被視為科學研究的起手式，但實驗成果與人體的實際情形有一定差距；動物模型雖然可以降低理論與現實之間的落差，但操作所需的時間和資源成本也較為高昂。幹細胞與組織工程的結合恰好解決了模型建立上的瓶頸，其所打造出的類器官（organoid）是具有自我組織（self-organizing）特性的微小 3D 結構。與細胞模型相比，類器官所擁有的組織複雜度可以提高實驗模擬實體時的相似度；與動物模型相較，類器官的小體積所帶來的便利性是極大優勢 [5]。
類器官培養常使用一種與生物基底膜有類似特性的培養基質：Matrigel，不過後續研究發現 Matrigel 本身的複雜成分，導致類器官目前在量產上存在著操控不易與異質性的問題。基於以上背景，瑞士研究團隊利用水凝膠（hydrogel）為材料，研發出水凝膠微孔陣列培養方法，並且透過實際臨床應用，證實該方法不但可以減少培養類器官所需的時間、大幅減少個體差異，並且能一次培養出大量的類器官 ，達到高通量的效果 [6]。
水凝膠於細胞培養之應用
此外，由於傳統 2D 細胞培養無法讓細胞在實驗過程中完全展現其生理特性，科學家們紛紛著手研究如何打造模擬細胞生長微環境的 3D 細胞培養系統。水凝膠的高含水量和交聯結構經研究證實是建立 3D 幹細胞培養系統的絕佳材料，能完整維繫幹細胞的細胞附著、遷移、增生、分化等功能 [7]。基於水凝膠能誘導幹細胞分化的特性，許多研究團隊分別針對不同幹細胞尋找最適合其生長分化的最佳條件。可調控 iPSC 分化的 MAHA 水凝膠和溫度感應性水凝膠 [8,9] ，以及可調控 MSC 分化的多肽水凝膠 [10] 皆為近期研究成果。
臨床傷口照護的新工具
除了細胞培養的相關性研究，幹細胞與組織工程的結合也可應用於傷口修復。正常傷口修復流程含括平衡、發炎、增生、重建等層面，內生性幹細胞在其中扮演了重要角色 [11]。基於上述機轉，組織工程領域的科學家利用幹細胞、生長因子和支持性基質，為臨床傷口照護提供許多新想法。來自美國研究團隊的主動性黏著敷料 [12] 以及波蘭研究團隊以左旋乳酸為材料建構的支架 [13] 經研究證實皆可有效促進傷口癒合，具極高未來應用價值。
幹細胞從過去至今的發展與突破眾人有目共睹。儘管目前仍具倫理與道德上的爭議，臨床實際應用也有一些挑戰待克服，幹細胞的應用依然存在著極大的想像空間。期待在可預見的未來，幹細胞能持續開拓未知，為科學創造更多可能。
Investigator 選文｜生物模型與類器官相關評論
Mead, B.E., Karp, J.M. All models are wrong, but some organoids may be useful. Genome Biol 20, 66 (2019). https://doi.org/10.1186/s13059-019-1677-4
Investigator 選文｜幹細胞與組織工程近期研究概況
Kwon, S. G., Kwon, Y. W., Lee, T. W., Park, G. T., & Kim, J. H. (2018). Recent advances in stem cell therapeutics and tissue engineering strategies. Biomaterials Research, 22(1). https://doi.org/10.1186/s40824-018-0148-4
參考文獻：
[1] Kolios, G., & Moodley, Y. (2013). Introduction to stem cells and regenerative medicine. Respiration; international review of thoracic diseases, 85(1), 3–10. https://doi.org/10.1159/000345615
[2] Liu, G., David, B. T., Trawczynski, M., & Fessler, R. G. (2020). Advances in Pluripotent Stem Cells: History, Mechanisms, Technologies, and Applications. Stem cell reviews and reports, 16(1), 3–32.
https://doi.org/10.1007/s12015-019-09935-x
[3] 生殖醫療大躍進 – 利用幹細胞建構卵子生長環境
[4] 流嬗與凝駐：以iETX模型探討胚胎發育過程
[5] Mead, B. E., & Karp, J. M. (2019). All models are wrong, but some organoids may be useful. Genome biology, 20(1), 66.
https://doi.org/10.1186/s13059-019-1677-4
[6] 量產類器官 – 藥物篩選與精準醫療的新利器
[7] Ma, J., & Huang, C. (2020). Composition and Mechanism of Three-Dimensional Hydrogel System in Regulating Stem Cell Fate. Tissue engineering. Part B, Reviews, 26(6), 498–518. https://doi.org/10.1089/ten.TEB.2020.0021
[8] 為幹細胞設計一個家：探討三維培養基材料對重編程效率的影響因子
[9] 幹細胞培養新利器 – 溫度感應性水膠
[10] 以長度可調的多肽水凝膠，解構影響間葉幹細胞分化的力學感測機制
[11] Ho, J., Walsh, C., Yue, D., Dardik, A., & Cheema, U. (2017). Current Advancements and Strategies in Tissue Engineering for Wound Healing: A Comprehensive Review. Advances in wound care, 6(6), 191–209. https://doi.org/10.1089/wound.2016.0723
[12] 仿生敷料 – 受雞胚胎傷口癒合機制啟發的溫度響應性敷料加速傷口癒合
[13] 建構理想之家──利用支架孔徑調節間質幹細胞的分化命運
撰文｜張芷榕
審稿｜黃云宣、陳品萱
