【封面故事】「野馬」?「寶馬」!臺灣iPS細胞學家點將錄

2021/06/27
【封面故事】「野馬」?「寶馬」!臺灣iPS細胞學家點將錄
15年前,iPS逆天問世,但臨床進展依然披荊斬棘。 臺灣也有一群孜孜不倦的科學家,在經費匱乏下共組聯盟, 誓將這匹多潛能「野馬」馴為下一匹的臺灣生醫「寶馬」!

Cover Story | 封面故事  2021 年  Vol.86

「野馬」?「寶馬」!臺灣iPS細胞學家點將錄

2006年,山中伸彌發表iPS細胞技術,翻轉了生命不可逆的命運;iPS仿若一匹擁有多潛能爆發力的「野馬」,熱潮從日本向全球奔騰。

但15年來,全世界只有12項iPS細胞進入臨床試驗,尚未有任何療法上市。然而,全球逾70家大大小小的公司,已經搶站產業鏈上摩拳擦掌。

市場預估,全球iPS細胞及相關服務市場,將以11.6%年均複合成長率,從2018年的19.8億美元,成長到2022年的28.2億美元。

發展iPS戰略意義甚於市場,它像在金字塔最頂端,一把火炬點亮人類細胞再生醫學金字塔!日本、美國、歐洲、中國等國無不仍野心勃勃大軍揮進。

在臺灣,儘管科研經費有限,也有一批科學家孜孜不倦埋首研究,他們共組iPS聯盟,積極透過國際合作,轉以人類疾病模型另尋契機,並建置出全球第四大、擁有35種各疾病iPS細胞株庫!

他們誓將iPS這匹「野馬」馴為下一匹的臺灣生醫「寶馬」!正努力以國際跑速,奔向iPS點亮的金字塔……

撰文:吳培安

採訪整理:吳培安、彭梓涵、李林璦、巫芝岳、劉馨香

資料研究:吳培安、彭梓涵

攝影:吳培安、彭梓涵、李林璦、巫芝岳

美術設計:黃黛鵑


2012年12月,日本京都大學科學家山中伸彌(Shinya Yamanaka)站在瑞典斯德哥爾摩演奏廳,在全世界的注視下,從諾貝爾基金會接下2012年諾貝爾生理醫學獎勳章。

2006年,山中伸彌透過「誘導型多潛能幹細胞」(Induced Pluripotent Stem Cell,簡稱iPS細胞),證明了即使是成熟細胞,也能透過重編程(Reprogramming),成為多潛能(Pluripotent)的狀態。

iPS細胞的問世,堪稱逆天,扭轉了人類細胞看似不可逆的命運。震撼了科學界,自此吸引世界各國政府、科學家及產業(包括臺灣)前仆後繼的投注研究及產業資源。

日本政府也在諾貝爾得獎國的桂冠下,於2012年投入300億日圓(約75.4億新臺幣)發展iPS細胞研究,2017年再投入147億日圓(約37億新臺幣),總計超過百億新臺幣,全力加速日本領先世界邁進再生醫學大國的腳步。


山中伸彌近期大幅減少公開露面,深居簡出、沉潛探究iPS細胞更基礎的科學,試圖為諸多仍無法克服的機制問題提出解方。圖為山中伸彌在2019年日本生技大展(BioJapan)中演講。(攝影/巫芝岳)

是「寶馬」,也是一匹「野馬」!

15年過去了,儘管日本如願躋身世界再生醫學強國,從上游到下游完整的再生醫療產業價值鏈,讓各國瞠乎其後,且自2007年起截至目前,日本醫藥品醫療機器總合機構(PMDA)已經核准11項再生醫療產品。

但至今,全球將近131項多潛能幹細胞(包含胚胎幹細胞和iPS細胞)臨床研究中,將iPS細胞當成候選療法的介入性臨床試驗(Interventional Study)只有12項,人們都還沒盼出一個真正獲批准的iPS細胞療法產品問世。(詳見後文)

山中伸彌的光環,也在難以突破的困境現實下,失卻了光彩。日本政府決定將在2022年,終止十餘年來在iPS細胞研發的經費,逼著他帶領京都大學iPS細胞研究所(CiRA),提早在去年2020年4月轉型成立非營利的CiRA基金會,繼續匍匐前進。

山中伸彌在2019年日本生技大展(BioJapan)指出,他認為iPS臨床應用最大的挑戰在於細胞製劑的製造時間與金錢成本,同時,必須維持細胞的品質。

山中伸彌現在也大幅減少公開露面,他深居簡出沉潛探究iPS細胞更基礎的科學,試圖為諸多仍無法克服的機制問題提出解方。

是的,在科學家眼中,「iPS細胞一如它多潛能的狀態,可以分化成所有類型的細胞、能力非常強,是科學家公認的稀世『寶馬』;但同時也是一隻非常桀敖不馴的『野馬』,人類的科技目前還無法優遊自如的駕馭牠。」中央研究院細胞與個體生物學研究所副所長郭紘志形容。

因此,想要iPS成為臨床細胞療法,路,還很長,而且依然荊棘滿佈。

iPS細胞 = 無爭議的「多潛能幹細胞」?

事實上,擁有接近「萬能」的多潛能幹細胞,iPS也並不是唯一一種。

早在山中伸彌2006年發表小鼠iPS細胞、2007年發表人類iPS細胞研究之前,科學界認為最有希望的,其實是1998年James A. Thomson所發表的胚胎幹細胞(Embryonic Stem Cell)。

顧名思義,胚胎幹細胞是取自受精卵所發育成的囊胚(Blastocyst),在實驗室培養而成的多潛能幹細胞。如果加以分化處理,胚胎幹細胞就能夠成為全新的血球細胞、心肌細胞、神經細胞等,為高齡退化性疾病帶來曙光。

然而,因為人類胚胎幹細胞的取得牽涉到囊胚的取得,是道德爭議極高的研究領域。除了婦產科患者志願捐贈、否則難以取得,再加上胚胎幹細胞本身帶有免疫排斥特性,移植胚胎幹細胞很難成為臨床治療的選項。

直到山中伸彌發現,只要將4種關鍵的轉錄因子(Oct4、Sox2、Klf4、c-Myc)透過慢病毒載體(lentivirus Vector)轉染到人類的纖維母細胞中,就能產生類似於胚胎幹細胞、具有高度分化能力的iPS細胞,而這4種轉錄因子也被後人稱為「山中因子」(Yamanaka Factors)。

就像胚胎幹細胞一樣,iPS細胞同樣具有分化成廣泛細胞種類的能力。自此,科學家將iPS細胞當成無道德爭議的多潛能幹細胞,野心勃勃地將其分化成人體的各種細胞,企盼將iPS細胞潛能帶入臨床應用。


iPS細胞具有分化成廣泛細胞種類的能力,例如神經細胞、造血前驅細胞、神經細胞、心肌細胞等。(圖/Vecteezy)

致癌風險、缺少品管標準 臨床應用安全性憂慮

郭紘志過去在英國、美國執行胚胎幹細胞的研究,一路來,親身見證多潛能幹細胞風潮從胚胎幹細胞轉向iPS細胞的歷史。

郭紘志表示,iPS細胞走向臨床最大的憂慮之一,就是癌症的風險。事實上,造就iPS細胞高度可塑性的「山中因子」,正巧也是在多種癌症細胞高度表現的蛋白質,也就是說貿然將iPS細胞移植到人體,可能會有致癌的風險。

除此之外,iPS細胞本身也帶有遺傳不穩定性、表觀遺傳學異常(Epigenetic Abnormal)、相當程度的免疫原性(Immunogenicity),以及用於異體治療時需搭配免疫抑制劑等。

加上iPS細胞誘導過程中,可能產生的病毒顆粒殘留,目前也還沒有完善的品管標準(Quality Control Criteria),引來人們對各界iPS細胞在臨床應用上的安全性憂慮。

根據奧地利維也納大學Julia Diensberger等人於2020年9月發表於《Nature》子刊《NPJ Regenerative Medicine》的調查研究指出,截至2019年8月,全球多潛能幹細胞(包括胚胎幹細胞及iPS細胞)的臨床研究共有131項,其中74.8%為iPS細胞,25.2%為胚胎幹細胞。

然而,131項研究中,高達77.1%屬於觀察型研究(Observational Study),只有22.9%為介入型研究(Interventional Study)。

若進一步分析介入性研究的比例,就會發現:真正實際投入患者病程或生活的多潛能幹細胞,反而是胚胎幹細胞(73.3%)勝過iPS細胞(26.7%)。

該研究也直指:全世界在多潛能幹細胞的臨床試驗上,仍聚焦在胚胎幹細胞應用眼科臨床上的治療。


中央研究院細胞與個體生物學研究所副所長郭紘志表示,雖然iPS細胞技術目前處在冷靜期,但很可能沉寂之後又再有一波高峰,重點在於臺灣屆時能否抓住。(攝影/李林璦)

iPS細胞新契機:人類疾病機制、藥物測試篩選模型

雖然iPS細胞確實帶來風潮,但它在臨床探索上仍是處處受限,未能充分發揮廣泛的應用性,多數科學家仍把iPS當成是觀察疾病變化的工具。

例如,利用從某種疾病患者身上取得細胞重編程為iPS細胞,再將它們分化成與疾病相關的特定種類細胞,就能在實驗室培養皿中重現疾病,例如心衰竭、帕金森氏症、黃斑部病變、糖尿病等。

同時身兼國家生技研究園區生技創服育成中心代執行長、中央研究院基因體研究中心副研究員的沈家寧博士,是我國最早投入iPS細胞研究的學者群之一。

沈家寧致力於糖尿病患者的胰島細胞iPS疾病模型研究,並在新冠肺炎(COVID-19)疫情下,利用iPS分化出各種腸道細胞,來研究新冠病毒(SARS-CoV-2)感染對腸道的影響。

因為新冠肺炎的症狀也包含腸胃道症狀。沈家寧團隊研究結果發現,新冠病毒確實可直接感染腸道類器官,複製出病毒顆粒。

同樣很早就從臺大醫院婦產科醫師身分跨入iPS細胞領域、現職臺北醫學大學總顧問暨細胞治療與再生醫學研究中心主任何弘能,他表示:「考量到iPS細胞有癌變風險,我在臺大很早就決定不做細胞治療,而是做Disease-Based iPS,也就是藥物篩選和疾病研究的應用。」

約莫在iPS細胞問世不久,何弘能在2008年就和郭紘志、臺大醫院黃祥博醫師,一起做出臺灣首個單基因缺陷遺傳疾病「龐貝氏症」(Pompe Disease)的人類疾病iPS細胞模型。

其後,他們又挑戰雙基因遺傳缺陷引發的先天性心肌肥大疾病,將從病人取得的皮膚細胞做成iPS細胞、再分化成心肌細胞,把這些細胞當成測試藥物的篩選模型。

何弘能也舉出實例,他們從幾萬種已經上市20幾年的老藥中挑出幾種可能有希望的藥,並在恩慈療法批准下投藥,成功治療先天心肌缺陷兒童,「那位小孩順利活到現在,除了個子小了些,現在已經上小學了呢!」

疾病模型再進化:類器官系統

如同何弘能所強調,「就算不將iPS細胞用於治療,它還有太多種研究應用的可能性。」

郭紘志也認為,「若是在疾病模型的基礎上,再加上組織工程技術,將其培養成3D類器官結構,不僅能夠用來篩選藥物,還能當作包括體外模擬基因治療(Gene Therapy)或電擊治療效果等很好的平台。」

郭紘志指出,一直以來,動物實驗跟人體試驗常有落差很大的情形,原因就出在很多人類疾病其實無法用動物來模擬。

郭紘志解釋,雖然動物試驗擺在人體測試之前還是有很重要的地位,但除非是用靈長類,不然老鼠跟人終究還是差很多;其次,也不是每一種轉基因或基因缺陷的狀況,都能用動物充分模擬。

「所以,科學家最終還是要找出更合適的替代品。」

郭紘志進一步表示,「如果能把病人的iPS細胞直接做成類器官,再用基因編輯把疾病矯正回來,就可以直接在實驗室裡看到治療功效;如果是腦或眼睛的類器官,還可以直接進行電生理研究,甚至是結合機械工程,做成自動化系統平台。」

「儘管iPS細胞疾病模型,仍有無法模擬體內真實狀況的問題需要克服。但未來如果能夠做出更貼近疾病真實狀況的iPS類器官,或是能夠把各種不同的iPS類器官整合在一起,有可能將逐漸取代動物實驗。」

為了追求新的科學,郭紘志也一直教誨學生,「不要選擇比較容易的實驗鼠,而是要勇於挑戰難度更高的iPS細胞。」

沈家寧也舉例,現在已經有人拿類器官做發炎性疾病研究,「有了各種細胞,會比以往單純做細胞培養實驗,更接近疾病的真實樣貌。」

跨領域科技利器:iPS細胞+電機工程、藥物篩檢晶片

除了臨床應用和類器官,iPS細胞還能結合生醫微機電及微流體技術,成為快速篩檢藥物的組織晶片,是創造跨領域科技的利器。

其中最具代表性的研究,當屬中央研究院生物醫學科學研究所研究員、同時也是心臟外科醫師的謝清河,他所帶領的「臺灣心臟組織晶片計畫」,目前已經進入第4年。

謝清河指出,「很多癌症患者接受化療或免疫療法時,常會遇到心臟毒性的嚴重副作用。不同藥物用在不同病人身上,產生的毒性也都不同,就算癌症真的成功治好了,患者也可能因為心臟壞掉而死。」

「如果在治療之前就能透過個人化的iPS組織晶片,找出哪些藥物對這個病人最安全,就能實現個人化醫療(Personalized Medicine)。這樣的藥物篩選晶片,對藥廠非常有價值。」他說。

目前,謝清河團隊已經從1千名臺灣受試者中,成功找出人類白血球抗原(HLA)為同型合子(Homozygote)的受試者共13人,以HLA-B位點基因型頻率粗略估算,可覆蓋臺灣人遺傳背景代表性高達51%。

謝清河進一步將他們的血液細胞重編程為iPS細胞、再分化為心肌細胞與內皮細胞,用於產製心臟組織晶片。

「這樣的晶片能夠反映臺灣人獨特的遺傳背景,是研究臺灣族群疾病生成致病機轉的重要利器。」

現在這項技術也正和財團法人生物技術中心(DCB)合作,以建立藥物毒理作用前測試平台。


中央研究院生物醫學科學研究所研究員謝清河所帶領的「臺灣心臟組織晶片計畫」,目標是iPS細胞結合生醫微機電及微流體技術,做出快速篩檢藥物的組織晶片。(圖/本刊資料中心)

國際iPS細胞眼科臨床治療 臺灣不缺席

雖然iPS細胞真正實現臨床應用上,看起來仍有一段距離,但近年來國際上在眼科臨床治療仍有相當進展,如大阪大學教授西田幸二(Kohji Nishida)於2019年,首將iPS細胞製成的眼角膜移植到患者,患者也在一個月後順利出院。

積極投入iPS細胞研究的臨床醫師之一、榮總眼科醫師邱士華也從未放棄將iPS細胞推向臨床治療的希望。

他研發出能夠調控幹細胞自我更新(self-renewal)與維持多潛能的核心技術,作為提供再生醫學及癌症標的治療的基礎研究/臨床應用平台。

邱士華團隊發現,山中因子當中的c-Myc,有望以另一種稱為Parp1 (Poly(ADP-ribose) polymerase-1)的分子途徑取代,大幅提升iPS細胞重編程的成功率,還能大幅減少幹細胞腫瘤形成,提高iPS細胞將來在臨床應用上的安全性,還因此獲得山中伸彌親自來函肯定。

邱士華也研發出可做為載體的「多功能植入視網膜生物支架系統」,可讓病患的血球細胞重編程為iPS細胞、再有效率且安全地分化成視網膜色素上皮細胞與視神經細胞,最後透過移植來挽救末期黃斑部病變患者的視力。

此外,在降低iPS細胞的異體排斥問題上,DCB也正透過建立細胞庫的方式克服,策略是透過基因編輯技術,打造出不表現HLA的iPS細胞,來減低被排斥的問題,目前,也正在和包括成功大學基因編輯團隊進行合作。


臺北榮總眼科醫師邱士華,他研發出能夠調控幹細胞自我更新與維持多潛能的核心技術,作為提供再生醫學及癌症標的治療的基礎研究/臨床應用平台。(圖/本刊資料中心)

臺灣「人類疾病iPS細胞服務聯盟」成立

事實上,國內像何弘能、郭紘志、沈家寧、謝清河這般孜孜不倦地研究iPS細胞,並對其人類疾病模型應用寄予重望的國內年輕學者越來越多。

其一的馬偕醫學院生物醫學研究所專任副教授許益超,他就以iPS研究毛細胞再生關鍵,作為聽損病人內耳細胞修復、再生、重建的細胞治療來源策略。

許益超形容研究的過程,「就像是當初山中伸彌找到iPS細胞金字塔最頂端的基因一樣,在一把火點燃下,亮起了整座金字塔。」

只是,許多團隊往往因為缺少iPS細胞製作技術而受挫。

為此,謝清河和何弘能、郭紘志等iPS細胞學者,加上國家衛生研究院胎兒臍帶來源iPS細胞專家顏伶汝、研究將創新再生醫學用於黃斑部病變治療的臺北榮總眼科醫師邱士華教授等,極力爭取政府支持。

在生技醫藥國家型科技計畫補助下,於2015年1月正式成立臺灣在地的「人類疾病誘導型多潛能幹細胞服務聯盟」,成為臺灣iPS細胞學研進展的重大里程碑。( 編按:此聯盟計畫總主持人現由謝清河研究員繼續擔任,共同主持人為邱士華醫師、臺大醫院黃祥博博士、食工所盧懷恩博士。)

該聯盟基於中研院生醫所、臺大醫院、臺北榮總、食品工業發展研究所、國衛院等5大機構分工合作,成立的使命就是是藉由提供iPS細胞產製核心服務,讓更多臺灣研究者得以跨過技術門檻,踏入iPS細胞研究領域。

如今,聯盟已經輔導35個研究團隊踏入iPS細胞研究,產製多達35種疾病的iPS疾病細胞株共超過100株,並產製15株的iPS健康細胞株作為對照組。

累積的iPS疾病細胞株數量,目前僅次於日本、德國、中國,在全球排名第四。

除了產製疾病的iPS細胞,聯盟在食工所設立「臺灣幹細胞銀行」,開放給全臺研究人員申請使用;此外,還建立各種細胞型式的分化標準流程,包括心肌細胞、神經細胞(運動神經元、多巴胺神經元)、胰島beta細胞、視網膜色素上皮細胞、腎臟類管狀細胞、間質幹細胞(Mesenchymal Stem Cell, MSC)、造血幹細胞分化與生殖細胞分化等。


2015年1月成立的「人類疾病誘導型多潛能幹細胞服務聯盟」,於國內五個核心設施提供產製iPS細胞服務,是臺灣iPS細胞學研進展的重大里程碑。(圖/修改自《人類疾病誘導型多潛能幹細胞服務聯盟》官網)

臨床之路雖遙遠 但未曾熄滅

據本刊調查,目前登記於臺灣政府研究資訊系統(Government Research Bulletin)下的iPS細胞研究項目,就有將近700筆,且從2008年起快速增長、每年都有40~70件不等。

郭紘志指出,任何一項新技術都有可能沉寂個20年再崛起。「以目前來說,iPS細胞在人類疾病模型、藥物篩選和類器官的研究已有突破性發展,也正逐漸朝著複雜化的方向進展。」

「如果大家看待iPS,只想著到處都是難題、沒有錢可以賺,沒有去思考它背後的價值,當然很容易會想放棄。」

「雖然iPS細胞技術目前處在冷靜期,但很可能沉寂之後又再有一波高峰,重點在於,臺灣屆時能否抓住!」郭紘志強調。

於是,這一群iPS科學家聯合團結起來,無畏政府經費的侷限,誓將iPS這匹「野馬」馴為下一匹的臺灣生醫「寶馬」!

他們也正努力以不輸國際競爭的跑速,奔向iPS點亮的細胞再生醫學金字塔……

>>本文刊登於《環球生技月刊》Vol. 86

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