《醫學故事》

造血幹細胞的故事 

(全文登於《健康世界》有圖）

朱真一 St. Louis大學及Glennon樞機主教兒童醫院小兒科

前言

造血幹細胞(Hematopoietic stem cells)可說是目前稱為「幹細胞(Stem cell」中，最廣泛應用於臨床上。所有幹細胞的研究及臨床應用，目前是科學界及醫學界最熱門的研究及媒體討論的題材之一。

造血幹細胞從人身上很容易得到，不會像有些幹細胞，必須從胚胎或胎兒器官得到幹細胞，沒有醫學倫理的難題。可以從骨髓穿刺得到外﹐也可從血液中用種種方法收集，另外本要遺棄的新生兒胎盤中的臍帶血液，更有豐富的造血幹細胞。

最近去找造血幹細胞發現初期的歷史﹐最早期發現的基礎科學研究很有趣﹐很多人可能都不太知道。早期的研究者中﹐有位台灣醫學科學家吳明達醫師貢獻不少﹐知道人可能更少。吳醫師發表這些研究後不久不幸英年早逝。以下談早期造血幹細胞發現時一些故事及過程。

異卵孿生牛的血型

早在1916年就有人發現異卵孿生牛的胎盤﹐有血管相通﹐血液可互相流通，流到孿生對方的胎兒。若兩隻胎牛雌雄不同時，雌牛以後常會無生殖能力﹐以後一直沒人再去探討。一直到1945年Ray Owen發現﹐這種胎盤血管相通的異卵孿生牛有相同的血型。他特別在論文中提到﹐他研究這些孿生牛時，都是已成長的牛﹐他認為胎兒血液相通時，可能有些細胞在造血的組織內生根﹐以後一生中繼續製造另一隻牛的血球。

Ray Owen很明白地寫下他的假設﹐胎兒及胎盤的血液中有造血幹細胞存在﹐而且在另一孿生牛體中繼續繁殖分化生長。他提出造血幹細胞的觀念﹐此觀念在以下討論中可看出，以後不但在血液學上﹐在免疫學、遺傳學上都是很重要的發現及觀念。

異卵孿生牛皮膚的移植及免疫耐受性

Medawar及Billingham想用皮膚移植的成功否來鑒定孿生牛到底是同卵孿生(Identical Twin)或異卵孿生(Fratenal twin)﹐他們意外地發現﹐兩種孿生沒什麼差別﹐大部份的異卵孿生牛也接受孿生兄弟姊妹牛的皮膚移植。其他非孿生但是同父母的兄弟姊妹間﹐或父母跟子女間或無血緣牛之間則不能接受對方的皮膚移植。後來他們發現上述Owen研究的論文﹐知道胎盤血流相通，會使血型相同外﹐血液交流也可因此引起了免疫耐受性(Immune Tolerance)。

因為上述Owen研究提出胎兒血液中有可造血的細胞﹐Medawar等以後用各種不同的血液細胞﹐注射入胎兒或新生的老鼠﹐他們發現這樣可以引起老鼠以後的有免疫耐受性﹐不但對血液細胞﹐皮膚或其他器官如腎臟等都會容忍接受而不排斥。他們用來注射的細胞譬如分離出來的白血球，包括目前知道的造血幹細胞。順便一提﹐Dr. Peter Medawar(圖1)這些有關免疫耐受性的研究很重要，後來分享1960年諾貝爾獎的生理或醫學獎。

什麼是造血幹細胞

以上所謂的造血幹細胞可說是學理上的「相當然爾」的細胞﹐不是實質上在實驗室中或顯微鏡下可以讓人實際上「看」得到或感受到的「幹」細胞，所有血液細胞的始祖。不過什麼是造血幹細胞？大家從中學的生物課知道，血液中的血球有紅血球、白血球和血小板，白血球中又分別有淋巴球與骨髓性白血球系統的顆粒性細胞(granulocytes)及單核細胞(monocytes)等等。

每種細胞各有不同的重要功能，無法在這裡詳述，最主要紅血球載運氧氣到身體各處，白血球抵抗各種感染以及血小板幫助血液凝固等等數不清的作用。這些細胞經常老化消失，每天必須產生非常多的血液細胞。若因疾病或環境因素如下節所談的輻射，破壞了造血幹細胞，不能產生這些血球細胞，人或動物就無法生存。這些血液細胞都由造血幹細胞分裂繁殖，然後再分化而來。

造血幹細胞必須要能繼續分裂自我繁殖，整個生命期間必須有此能力。由此繁殖分裂出來的下代子細胞，少數保持為同樣的血液幹細胞可以繼續繁殖，大部分的細胞，分化演變成各種上述談到的血球細胞。人的造血幹細胞在胎兒的肝、脾及骨髓內，但出生後不久，正常的人最主要存在於骨髓內。因為造血幹細胞能繼續分裂自我繁殖及分化成血球細胞，所以可以用來移殖。

輻射傷害及造血幹細胞

1945年原子彈投在廣島及長崎﹐以後知道不少人因為原子彈投下後的輻射，破壞了造血幹細胞，使骨髓造血功能喪失而死亡，因此加速造血幹細胞的研究。輻射會破壞造血機能，1950年發現若用鉛把老鼠的脾臟保護，不被輻射可以避免造血機能傷害。不久也發現可用脾臟細胞或骨髓細胞，注入整體被輻射過的老鼠，可使造血機能恢復，避免死亡。以後更發現若用組織抗原不同的老鼠的骨髓細胞來救治經輻射過的老鼠後，經過如此解救過的老鼠以後可接受另種抗原相異老鼠的皮膚移植，也就是有免疫耐受性。

像上述Medawar研究的異卵孿生牛﹐經輻射接受另類抗原的造血細胞後的老鼠可以接受皮膚移植及血液細胞，可以說是種「合體怪獸(Chimera)」(圖2)。1956年就有幾位研究者用染色體來證實，不同個體的血液細胞的確在「合體怪獸」體內共同生存。

尋找造血幹細胞

1961年是造血幹細胞研究的另一大突破。這種造血幹細胞開始可以「定量」﹐可以看到他們繁殖以及分化成各種血液細胞如紅血球﹑白血球及血小板等的聚落(Colony)。有些聚落也產生淋巴球﹐當然這些細胞還可自我分裂繁殖成為同樣的血液幹細胞，所以上述輻射過的老鼠，用脾臟或骨髓造血幹細胞注入後可避免死亡。。

James Till及Ernest McCulloch(圖1)在Toronto大學的癌症中心實驗室，先把老鼠用適當的輻射量照射﹐使老鼠不會馬上致死，但破壞了造血幹細胞，已不能製造各種血球。當靜脈注入正常老鼠的骨髓細胞時﹐約十天後在老鼠的脾臟可看到血球繁殖並分化成含有各種血球細胞的聚落。他們證明這些細胞是從一原始的造血幹細胞繁殖分化而來。

他們將這種聚落叫脾臟造血聚落單位 (Colony Forming Unit of Spleen，CFU-S)。後來再詳細研究，這些細胞聚落不全一樣，有些聚落較快形成﹐有些較慢。較早形成只有單一類型的血球，是來自單元性先驅細胞(Progenitor Cell)﹐有些開始先有紅血球系列的細胞﹐以後骨髓性顆粒白血球及單核性細胞出現﹐這些是從少元性先驅細胞分化繁殖的聚落。最慢的是從較原始的多元性造血幹細胞分化繁殖而來，有較多不同種類的血球細胞在聚落內(圖3)。

最原始多元性造血幹細胞量很少，但可自我繁殖，使原始造血幹細胞繼續下去，人或動物整個生命期間都有此能力。有些則可分化成多元性先驅細胞﹐愈分化就變成幾種不同的少元性的先驅細胞系列﹐再繼續分裂分化成單元性先驅細胞。這些單型細胞先驅細胞再增生分化為成熟有功能的各種細胞如紅血球﹑各類白血球﹑淋巴球﹑血小板等等(圖3)。

吳明達醫師的貢獻

吳醫師於1964年由台大醫學院醫科畢業﹐畢業服完役後即到上述Till & McCulloch的實驗室研究兼讀博士學位。1967到1969年間發表三篇非常重要與造血幹細胞有關的論文。三篇他都是作者排第一位﹐是他做出來的研究。

他用細胞學研究證明這些造血幹細胞的確有能力可分化成為正常的各種血球細胞的聚落。他後來又更進一步說明這造血幹細胞跟淋巴系統細胞的關係﹐證明這幹細胞也可分化為免疫上重要的淋巴球和胸腺的細胞。他的第三篇研究發表實驗盤內培養出來的細胞聚落跟上述脾臟細胞聚落的關係。

筆者去參加生物科學學會時﹐看過及跟他談過話。很可惜他不久因腦瘤病逝﹐英年早逝。在造血幹細胞研究界喪失一位非常傑出人才。特別寫下這段﹐希望大家能銘記他的貢獻。Till & McCulloch在2005獲頒Lasker Award，這是非常榮耀僅次於諾貝爾獎的醫學大獎，他們經常被人說是諾貝爾獎的候選人，可見吳明達醫師的貢獻重要。

造血幹細胞移植

上面談了不少發現造血幹細胞的故事，這些生物學的基礎研究工作﹐以後在醫學上有不少可應用。這裡稍談移植的基本概念，以後再詳細些多談。

造血幹細胞可用來移植，不但應用於造血幹細胞最有關的血液學的疾病上﹐免疫學機能失常疾病上當然也早早使用，現在更應到其他器管系統的疾病。紅血素疾病(hemoglobinopathy)產生出來的紅血球功能有問題，如各種的地中海貧血(Thalassemia)﹑鏈狀細胞 (Sickle cell) 貧血，白血球或血小板出問題以及所有這些血球的再生性不良貧血(Aplastic anemia)，當然早早就用造血幹細胞移植來治療。

免疫機能失常，不管是先天性或後天的自體免疫疾病，上面討論到，造血幹細胞可以繁殖分化成為免疫學上重要的淋巴球。從上面提到早期發現造血幹細胞對免疫學的重要性，也不難想像用造血幹細胞移植來治療免疫性疾病。

血球有關的癌瘤症如白血病或淋巴瘤(Leukemia & Lympoma)﹐當然也早早用造血幹細胞移植來治療。其他各種惡性癌瘤症，高劑量的化學療法或放射性治療﹐常會破壞造血及免疫機能。可靠移殖造血幹細胞來解救這嚴重的副作用，恢復病人正常的造血能力及免疫功能。

現在更應到其他器管系統的疾病，尤其先天性的代謝缺陷疾病。最近的研究發現，造血幹細胞另外有更多想不到的分化能力或幫忙其他細胞分化及成長，如血管內皮細胞、心肌細胞甚至神經細胞等，譬如用造血幹細胞來治療冠狀動物梗塞後的心肌衰竭以及其他不少非血液、癌瘤或免疫的疾病。

造血幹細胞移植的細胞來源，目前臨床上有來自為骨髓、血液及臍帶血三類。自體(autologous) 造血幹細胞移植，收集病人自己的骨髓或血液的造血幹細胞，異體(Allogeneic) 移植用其他人，當然最好是人類白血球抗原系統（HLA）相同的兄弟姊妹，其他親屬或完全無關的人的造血幹細胞也可用，當然也可用還本要丟棄的胎盤內可收集富造血幹細胞的臍帶血。

造血幹細胞在臨床上有更多其他的應用，目前繼續研究發展中﹐以後另文再來多多討論。