第 116 期 2005-09-15

研究發展
如何追蹤幹細胞 Stem Cell Tracking in Reparative Medicine

幹細胞治療的可能性,開啟了醫學領域嶄新的一頁。它不僅給予了人類疾病治療無窮的希望;也吸引了醫學研究團隊,相繼地投入「再生醫學」或「修補醫學」的領域中。然而,在通往臨床成功應用的道路上,仍然存在著許多困難及阻礙,亟需克服。舉例而言,一旦幹細胞移植進入人體之後,如何能有效且確實地掌握及追蹤幹細胞在人體內的分佈與動向,正是幹細胞的治療應用上,一個相當重要且棘手的研究主題。因為,這不僅關係到日後幹細胞治療成功與否的評估,因此是目前幹細胞研究發展成功的重點。

在以往的研究模式中,通常是先利用螢光染劑、放射性同位素或基因轉殖的方式加以標定(label)幹細胞,等標定過的幹細胞進入實驗動物後,再以解剖動物的方式,評估幹細胞在動物體內最終的宿命。然而,這些標定細胞的方式,不僅無法應用在人體,更未能有效且動態或即時地監控幹細胞在生物體內的一舉一動。所幸,隨著奈米科技的發展,以及奈米醫學在細胞標定(cellular labeling)的應用,幹細胞在生物體內的動態追蹤(cell tracking),已有了全新的風貌。

就目前的研究發展主流而言,奈米醫學在生物細胞或幹細胞的標定追蹤,主要是以各種不同材質的奈米粒子作為媒介(carrier),攜帶著氧化鐵(iron oxide)或釓(gadolinium, Gd)複合物(e.g. Gd-DTPA)等此類的contrast agents,來加以標定細胞。而標定過的細胞,即可藉由磁振造影(magnetic resonance imaging, MRI)技術在生物體內加以偵測追蹤。此時,這些不同材質的奈米粒子,就好比是各種不同車種的貨車,帶著可標定細胞的標靶作為貨物,而是否能有效地標定細胞,關鍵在於奈米粒子是否能有效地進入細胞內。可惜的是,在目前已發展出的一些奈米粒子上,仍未能符合此標準。因此,為了解決此一窘境,各種不同修飾(modify)奈米粒子的方式因應而生,例如接上各種抗體或胜肽(peptide, e.g. Tat),目的就是為了使奈米粒子可以更有效的進入細胞內。然而,除了上述考量因素外,奈米粒子要儘可能不影響幹細胞的生物細胞活性(例如:細胞存活度、細胞分化能力等),在幹細胞的應用上,更是格外重要。雖然,目前的研究顯示:這些為了加強奈米粒子進入細胞的修飾動作,對細胞影響不大。但這些修飾物質對人體的影響,以及是否百分之百完全不會影響幹細胞,則仍無定論。

有鑑於此,國衛院幹細胞研究中心前主任陳耀昌醫師與台大化學系主任牟中原教授攜手合作,結合了國衛院幹細胞研究中心、國衛院奈米醫學研究中心、台灣大學化學系及臺大醫院內科、檢驗醫學科、影像醫學科、醫工所等,成立了一個涵蓋基礎與臨床各領域精英的研究團隊,嘗試以牟主任發展出來的一種具多孔性的矽奈米粒子(mesoporous silica nanoparticles, MSNs),來作為幹細胞研究的追蹤媒介。

研究發現,矽奈米粒子的確可有效地(僅需數分鐘至數十分鐘的作用時間)進入人類骨髓間質幹細胞(human mesenchymal stem cells, hMSCs)及老鼠前脂肪細胞株(3T3-L1),且矽奈米粒子進入細胞內的作用呈現出時間及濃度相依性(time- and dose-dependent manner)。其進入細胞的作用機轉,應是藉由clathrin蛋白所依賴之胞噬作用(clathrin-dependent endocytosis);同時,此作用機轉可能也參與了人類骨髓間質幹細胞能比老鼠前脂肪細胞株攝入較大量矽奈米粒子及較長時間保留矽奈米粒子於細胞內。另外,矽奈米粒子進入細胞內後,並不具有細胞毒性亦不影響細胞之增生;更重要的是,矽奈米粒子不會影響老鼠前脂肪細胞株分化成脂肪細胞及人類骨髓間質幹細胞的多重分化能力(如分化為軟骨細胞、成骨細胞及脂肪細胞等)。進一步的研究發現,進入細胞內的矽奈米粒子,雖因經由胞噬作用被攝入溶酶體(lysosome)內,但其可承受溶酶體內酵素及酸性環境的破壞,進而漏出(escape)溶酶體外且仍保有奈米粒子結構之完整性。因此,此多孔性矽奈米粒子所擁有的一些特性,如生物相容性(biocompatibility)、耐久性(durability)及高效率的細胞進入能力(highly efficient cellular internalizing activity),克服了目前幹細胞追蹤所面臨的窘境,將使得此奈米粒子可有效的運用於幹細胞追蹤甚至於其他生物醫學等方面的研究。

當然,這是非常初步的結果,未來尚待更進一步的動物實驗及臨床前實驗來證實。此外,尚需進行此奈米粒子之安全試驗及體內動力學實驗等。

這方面的兩篇研究論文已分別被國際科學雜誌The FASEB Journal及Chemistry of Materials接受刊登。同時,研究團隊也正著手進行對此矽奈米粒子及相關研究成果提出國際專利申請。
《文/圖:陳耀昌,黃東明,楊重熙;圖:以螢光顯微鏡及電子顯微鏡觀察進入細胞內之奈米粒子。人類骨髓間質幹細胞(左半圖)及老鼠前脂肪細胞株(右半圖),先以奈米粒子處理一個小時,之後再進行螢光顯微鏡(圖A)或是穿透式電子顯微鏡(圖B)之觀察。在螢光顯微鏡的實驗中,細胞核染以藍色試劑(4’,6-diamidino-2-phenylindole)以利觀察。奈米粒子呈現出綠色(FITC)螢光。在電子顯微鏡的實驗中,箭頭所指之奈米粒子,在進入細胞後,仍呈現出完整規則之六角形》