【封面故事】全臺第一個誘導出iPS細胞 中研院郭紘志 見證培養基到 iPS類器官發展史

2021/11/27
【封面故事】全臺第一個誘導出iPS細胞 中研院郭紘志 見證培養基到 iPS類器官發展史
全臺第一個誘導出iPS細胞的實驗室,是中研院細胞與個體生物學研究所副所長郭紘志帶領的團隊,堪稱臺灣iPS細胞研究的開山鼻祖。

Cover Story | 封面故事 Vol. 86 2021-06

全臺第一個誘導出iPS細胞
中研院郭紘志 見證培養基到 iPS類器官發展史

全臺第一個誘導出iPS細胞的實驗室,是中研院細胞與個體生物學研究所副所長郭紘志帶領的團隊,他堪稱臺灣iPS細胞研究的開山鼻祖。不僅協助前所長游正博博士創立臺灣幹細胞學會,更建置有全臺最完整、超過25種人類疾病幹細胞株庫。除成功建立全球首個「誘導式龐貝氏症人類多潛能幹細胞(PomD-iPSCs)」外,也已在漸凍症、阿茲海默症、基因遺傳疾病等領域,以iPS細胞建立了疾病機制模式,並進行開發新療法。

撰文、攝影/李林璦


「我走上iPS細胞領域並非偶然,而是必然。」郭紘志說起自己求學到今天的研究之路,彷彿就是一部全球iPS細胞發展縮影的活歷史!

師承胚胎著床前基因診斷鼻祖Alan Handyside

1996年,對遺傳學及胚胎發育有濃厚興趣的郭紘志遠赴英國倫敦帝國學院(Imperial College London)及國王學院(King's College London)婦產醫學部直攻博士,指導教授正是胚胎著床前基因診斷(Preimplantation Genetic Diagnosis, PGD)鼻祖Alan Handyside教授。

由於很早就受到人類早期胚胎研究的啟蒙,當時郭紘志的研究也針對遺傳突變對於人類早期胚胎發育的影響。

因為許多實驗檢體的來源,都是婦產科不孕症治療的患者,郭紘志便針對這些著床失敗的胚胎進一步研究。當時,許多失敗的原因都被歸咎於胚胎的「品質」,但郭紘志指出,「事實上,品質是一種很籠統的說法,基因遺傳的問題佔絕大多數」。

郭紘志回憶,當時還沒有可以長期培育人類胚胎的方法,通常是將胚胎發育至卵裂球(俗稱8細胞期),大約是受精後的第三天時,就挑選好的胚胎進行移植。由於當時也沒有可以長期培養胚胎的培養基,若延後到第四天才移植就會降低著床率,因此,不得不在第三天就進行移植。

為尋找能更長天數的培養胚胎方法,當時的郭紘志全心全意研究不同階段培養所需的培養基。

約同一時期,在英國約克大學(University of York)專注於研究胚胎植入前代謝的教授Henry Leese也認為,胚胎在不同時期的營養需求必定不同。他一位學生David Gardner於是利用老鼠胚胎研究,尋找從受精卵到囊胚期不同階段的營養需求。

David Gardner針對各種不同營養素進行測試,發現光是胚胎對於麩醯胺酸(Glutamine)的需求,早期胚胎和晚期相比,在濃度的高低上對胚胎的生長即有顯著的影響。此些重大的發現奠定了後來成功建立人類囊胚期胚胎(blastocysts)培養系統,該系統的建立除了為人類不孕症治療帶來革命性的影響,因為可於實驗室培養出大量的人類囊胚,也因此造就了後來世界上第一個人類胚胎幹細胞 (Human Embryonic Stem Cells, hESC)的誕生。

1998年,威斯康辛大學(University of Wisconsin)教授James Thomson即是運用由改良的囊胚培養系統所獲得的人類囊胚,成功建立了人類胚胎幹細胞株,發表於《Science》,石破驚天地帶動了後續所有研究。

參與培養基開發  改寫不孕症治療指南歷史

由於David Gardner的發現,歐洲多家生技公司隨即投入開發可供臨床治療所用的人類胚胎培養基。其中丹麥與瑞典的兩家公司,找上了郭紘志的老師─胚胎著床前基因診斷權威Alan Handyside合作,並由郭紘志負責進行測試。

當時,郭紘志每周五下午都會收到從丹麥、瑞典快遞來、各種不同配方的培養基,且都以David Gardner的G命名,經由郭紘志不斷嘗試不同階段的使用測試,研究實驗簿上滿滿記錄著從G0到G1.1、G1.2等代號。

到郭紘志畢業前,送來的培養基從跟一般培養基無差異,已經改良到可以支持7至8成的人類胚胎在體外培養到囊胚期。

「我是第一個見證培養基一路進展的人,這培養基甚至改變了未來的不孕症治療的指南。」郭紘志說。

郭紘志的博士論文便是利用該培養基來培養人類胚胎細胞,也發現人類早期胚胎在發育過程中就會做自然篩選,基因突變的胚胎會在受精第5天時自然被淘汰,驗證了植入前長期培養早期胚胎至囊胚期具有好處。

「多這2、3天的培養,多數具有遺傳問題的胚胎就會被剔除,大大增加後續胚胎著床的機率。」郭紘志說。

成功複製猴子與人類胚胎幹細胞

郭紘志對人類胚胎研究的興趣越來越濃厚,但由於人類胚胎研究的法規嚴格,因此,2001年,郭紘志來到了美國奧勒岡國家靈長類研究中心(Oregon National Primate Research Center, ONPRC),「做靈長類的研究侷限比較少,可以了解到更多之前在人類胚胎中無法驗證的實驗」。

巧的是,郭紘志在奧勒岡國家靈長類研究中心的指導教授Don Wolf,正是James Thomson的博士後指導老師,郭紘志意外成為James Thomson的師弟。

在奧勒岡國家靈長類研究中心,郭紘志如願以償地接觸到完整的胚胎幹細胞訓練,他於Don Wolf教授實驗室建立了全新的胚幹細胞分離技術並發展一套利用胚幹細胞快速建構基因轉殖猴的方法,可以進行藥物測試、愛滋療法測試 ; 同時涉獵學習神經細胞的分化,此些成果協助了後來該實驗室發表成功複製猴子與人類胚胎幹細胞的重要論文到著名期刊《Nature》、《Science》。

2001年、2002年正是全世界幹細胞領域蠢蠢欲動的萌芽期,當時中研院院長李遠哲、前動物研究所所長游正博也積極發展幹細胞,於是力邀郭紘志加入,前前後後李遠哲與郭紘志談了三次,才讓他下定決心於2004年回臺。

全臺首個真正誘導出iPS細胞實驗室

加入游正博創立的細胞與個體生物學研究所後,郭紘志致力建立人類胚胎幹細胞實驗室,並與國內生殖醫學專家攜手合作,包含當時臺大醫院副院長何弘能以及不孕症權威、臺大醫院婦產部主治醫師陳信孚。

郭紘志除了建立人類胚胎幹細胞株外,也專注於建立轉基因人類胚胎幹細胞,他認為,「若走向基因轉殖,就可以將一個細胞株轉化成帶有各種基因突變的不同細胞株。」這樣的信念,讓郭紘志逐漸累積、最後成為全臺擁有最完整人類疾病幹細胞株庫的實驗室。

2005年4月,郭紘志協助游正博創立臺灣幹細胞學會,並擔任秘書長,同年,學會邀請當時還未發表iPS細胞論文、日本京都大學的山中伸彌(Shinya Yamanaka)來臺演講,建立起迄今臺、日雙方在iPS研究良好的交流。

2006年,山中伸彌與其學生高橋和利(Kazutoshi Takahashi)成功藉由反轉錄病毒感染細胞的方式將 Oct3/4、Sox2、c-Myc、Klf4 四種特定基因送入體細胞後,利用老鼠的胚胎以及成體細胞製造出iPS細胞,成功實現體細胞的「重編程」,將其誘導回最初的多能狀態。

如同在幹細胞領域中投下一顆震撼彈,郭紘志馬上寫信與山中伸彌交流了解,但直到2007年,全球越來越多人確實可重複山中伸彌的實驗後,郭紘志也開始火力全開投入iPS細胞發展。

加上郭紘志一路來累積的人類胚胎幹細胞研究經驗,「我們成為全臺第一個真正誘導出iPS細胞的實驗室,也建立了一套檢驗pre-iPS細胞的機制。」



郭紘志不僅是全臺擁有最完整人類疾病幹細胞株庫的實驗室,也是全臺第一個真正誘導出iPS細胞的實驗室,並建立了一套檢驗pre-iPS細胞的機制。

致力發展新科技 實驗室堅持iPS類器官取代動物實驗  

郭紘志表示,在胚胎發育時出現的多潛能幹細胞(Pluripotent Stem Cells),具有在體外或體內分化成各種細胞的能力,其分化的細胞可提供做為更新修復受傷或帶有病徵細胞的來源。此外,加上基因編輯技術和iPS細胞技術,可製造出類器官,成為體外模擬基因治療效果的平台,並作為藥物篩選的平台。

「未來,人類iPS細胞類器官技術甚至可能取代基因轉殖鼠實驗。」為了這個科學發展趨勢,長年來,郭紘志對實驗室和學生很堅持:「實驗室沒有一個動物實驗」。

他表示,「動物試驗在現今仍然是非常重要的平台,但若我們實驗室做不出來的iPS細胞疾病模型,就馬上轉往疾病動物試驗,就會依賴動物試驗而不去發展新科技」。

正因此,郭紘志至今擁有全臺最完整、最大的人類疾病iPS細胞庫 (Diseased iPSC Bank),至少有25種以上不同種類的疾病,包含漸凍症、阿茲海默症、亨廷頓舞蹈症(Huntington's Disease, HD)、代謝性疾病、遺傳性心臟疾病、眼部疾病、癌症等,並且囊括各疾病中的不同基因突變的亞型。

其中在龐貝氏症領域中,郭紘志從臺灣龐貝氏病人的皮膚細胞中,成功建立全球首個「誘導式龐貝氏症人類多潛能幹細胞(PomD-iPSCs)」,有助於龐貝氏症藥物研發,研究成果也登上《人類分子遺傳(Human Molecular Genetics)》國際期刊。



>>本文節錄於《環球生技月刊》Vol. 86

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