認識幹細胞 – 幹細胞有哪些能力及應用?

幹細胞的定義

幹細胞是指具有自我更新及分化特性的細胞,能夠自我複製產生相同子代,亦能接受環境中不同訊息的刺激,進而分化成各式各樣不同功能的細胞,並進一步組成複雜的組織與器官。

幹細胞的分類

依據「分化能力」的強弱,可以進一步分類成不同階層:

  • 全能性幹細胞(totipotent stem cells:全能性幹細胞具有全能的分化能力,可以分化成各種組織及器官,並逐漸發展成完整生命個體。例如早期胚胎發育的桑葚胚 (morula) 之前,均為全能幹細胞。
  • 多功能性幹細胞(pluripotent stem cells:多功能性幹細胞具有形成多種組織的能力,但無法獨自發展成完整個體。例如胚胎幹細胞、誘導性多能幹細胞。
  • 多潛能性幹細胞(multipotent stem cells:多潛能性幹細胞具有分化成特定組織的能力。例如造血幹細胞、間質幹細胞。
  • 前驅細胞(progenitor cells:前驅細胞是指具自我更新特性,但分化能力受限的細胞,又稱為單能性幹細胞 (unipotent stem cells),只能分化成特定組織中的細胞。例如骨骼肌幹細胞。

除上述幹細胞外,生物體內還有遍佈於各組織器官、不具分化能力,但具特定功能的分化成熟細胞 (differentiated cells),例如神經細胞。

幹細胞還能依據「發育過程」分類

  • 生殖幹細胞 (germ stem cells):生殖幹細胞是指位於生殖腺的多潛能性幹細胞,受適當刺激及誘導後,能分化成生殖細胞。例如位於睪丸的精原幹細胞能逐漸分化成精子。
  • 胚胎幹細胞 (embryonic stem cells):胚胎幹細胞通常是指來自囊胚中內細胞團的幹細胞,具有發展成各式細胞組織的能力,包含外胚層、中胚層及內胚層的細胞,但其無法獨立發展成生命個體,因此又被歸類為多能性幹細胞。另外,由於胚胎幹細胞來自於胚胎,亦存在細胞異常變異之風險,因此目前在研究及運用上仍有相當大的限制。
  • 成體幹細胞 (adult stem cells)​​成體幹細胞是指存在於各發育成熟器官中的幹細胞,具有自我更新及分化成數種細胞或組織的能力,扮演著修復損傷、維持各組織器官正常運作的關鍵角色,然而其分化能力不如胚胎幹細胞,因此多半被歸類為多潛能性幹細胞,例如造血幹細胞及間質幹細胞。

幹細胞的應用

幹細胞具備組織修復及分化等優勢,可應用於細胞治療、組織工程、再生醫學、醫學美容等面向,以下將簡單舉例幾項幹細胞的常見應用。

一、癌症治療

常見的例子如造血幹細胞移植,其流程是將周邊血造血幹細胞輸入至患者體內,透過造血幹細胞分化成紅血球、白血球、血小板等各種血液細胞的特性,達到再造病患造血機能的效果,適用對象包含血液腫瘤疾病患者、血液遺傳性疾病患者或嚴重免疫系統不全者。

二、組織修復

幹細胞於體外大量誘導分化成目標細胞後,能夠移植至需要治療的患部,達到組織修復的效果,例如將間質幹細胞應用於退化性關節炎的治療。幹細胞於體外大量誘導分化成目標細胞後,能夠移植至需要治療的患部,達到組織修復的效果,例如將間質幹細胞應用於退化性關節炎的治療。

三、組織工程

某些幹細胞於體外經適當培養及誘導後,能夠形成類器官 (organoid),相比於以往二維培養的細胞,類器官的三維特性及細胞排列特徵更接近於體內的成熟器官,有利於發育過程的模擬、藥物安全性測試及個人化基因篩檢,例如腸道類器官、肝臟類器官等。此外,幹細胞還能結合 3D 生物列印技術,再造血管及軟骨等組織,協助手術治療及組織修復等作業。

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