醫學

不孕新解:體細胞生殖

未來,我們也許能把血液細胞或皮膚細胞轉化為精子或卵子,來繁殖後代。

撰文/溫特勞布(Karen Weintraub)
翻譯/林雅玲

醫學

不孕新解:體細胞生殖

未來,我們也許能把血液細胞或皮膚細胞轉化為精子或卵子,來繁殖後代。

撰文/溫特勞布(Karen Weintraub)
翻譯/林雅玲


在日本九州大學生殖生物學家林克彥(Katsuhiko Hayashi)的實驗室裡,八隻在籠子裡四處亂竄的小鼠看來沒什麼特別,就像其他小鼠一樣跑步、吃飯和睡覺,但是這八隻小鼠有著不尋常的出身。2016年林克彥和同事在《自然》發表這項研究,宣佈這八隻黃褐色小鼠並非來自公鼠與母鼠直接的精卵結合,實際上,母鼠的卵子是從皮膚細胞重設而成。


其他研究人員對此感到驚喜,這項進展也驗證了1997年科學家複製出桃麗羊時所暗示的無限可能。這些成就根基於1970年代所進行的青蛙複製研究,當時科學家了解到動物細胞的生長都遵循一套相同的基因指令,桃麗羊的創造者把綿羊的乳腺細胞轉化成一隻活體動物,展現出哺乳動物個體的每個細胞都有一套相同基因,而乳腺細胞與其他細胞的差異,僅是活化或關閉不同基因後的表現。


對林克彥和其他科學家來說,桃麗羊的出現帶來新契機,意味只要能擬定正確的操作程序,就能把哺乳動物的成體細胞設定成為神經元或卵子等細胞。世界各地的研究人員延續複製桃麗羊的研究,試圖實現體外配子形成(in vitro gametogenesis),也就是從成體細胞製造出卵子和精子。生殖科學家和一些不孕夫婦也密切關注林克彥和其他相關研究人員的研究進展,林克彥已成功把齧齒類動物的幹細胞轉變為初期生殖細胞。如果製造卵子和精子的技術能應用於人類生殖,有朝一日也許能以血液或皮膚細胞代替有缺陷的配子(卵子或精子)。將來男性可以不必擔心精子不健康,而40歲以上女性也無須擔心生育能力變差,因為幾乎任何年齡的女性都可以從微量血液產生許多卵子。同志伴侶也可能擁有帶有雙方血緣關係的小孩。


這些願景雖然吸引人,但是還很遙遠。精卵結合是大多數哺乳動物繁衍後代的方式,多年來研究人員藉由動物實驗,試圖找出能夠取代卵子和精子的可靠替代品,但都還差臨門一腳。而且,即使是以小鼠進行這些初步研究,也在科學社群裡引發未來應用於人類身上的倫理爭議。


模擬體內生殖環境


林克彥的團隊整合幾項早期的研究發現,才在小鼠身上完成這項創新的繁殖程序。2010年,他們嘗試啟動細胞的「重設」按鈕,希望把成體細胞轉變回發育定型化前的狀態。於是他們採用了京都大學再生醫學家山中伸彌(Shinya Yamanaka)研發的「誘導多能性幹細胞」(iPSC)技術,山中伸彌憑iPSC研究獲得2012年諾貝爾生醫獎。


首先,研究人員從成鼠尾巴刮下皮膚細胞,注入含有四種特定基因的生化混合物,這個步驟能讓成體細胞轉變成幹細胞,而幹細胞具有轉化成各種類型細胞的能力。接著採用2000年代早期英國生殖學家蘇倫尼(Azim Surani)以及日本京都大學幹細胞生物學家齊藤通紀(Mitinori Saitou)發展的遺傳學知識(當時齊藤通紀是蘇倫尼實驗室成員,蘇倫尼目前任職於英國戈登研究所,兩人先後指導過林克彥)。這些研究工作以及其他從正常小鼠胚胎取得的胚胎細胞的相關實驗,最終幫助林克彥的團隊找出需要啟動哪些基因,才能誘導幹細胞轉變成原始生殖細胞。


不過事情沒那麼單純,能發育成精子或卵子的原始生殖細胞,依然和典型動物細胞一樣,擁有兩套染色體。要形成生殖細胞,原始生殖細胞必須經歷兩次細胞分裂(減數分裂),才能只擁有一套染色體。雌性哺乳動物生殖細胞的第一次細胞分裂,發生在自己還是胚胎的發育過程中原始生殖細胞進入生殖系統之際;第二次分裂發生在排卵期,此時生殖細胞接觸到多種激素,最終形成成熟卵子。在製造出原始生殖細胞後,林克彥和同事必須把它們放回活鼠體內以完成卵子細胞的發展階段,這個步驟在當時仍屬科學力有未逮的疆域。如果研究人員想在培養皿中製造有功能的成熟卵子,便需要了解並重建卵子成熟途徑的每一步驟。


科學家後來發現,讓卵子成熟的關鍵是仔細模擬自然狀態。他們花了好幾年調配轉化卵子生長的配方,終於獲得重大突破:他們發現,添加其他胎鼠的卵巢細胞到培養基裡,能刺激卵子成熟。卵巢細胞釋出一系列激素,創造出類似活體內的環境以誘導生殖細胞。此外,科學家也改變培養基的黏度,模仿小鼠體內狀態。一旦調配出正確的培養基配方、在實驗室培養出成熟卵子,下一步就和其他體外人工授精程序差不多。首先,研究人員在實驗室讓成熟卵子和來自公鼠的精子結合。幾天後,選出發育良好的授精卵注射到母鼠體內孕育20天。過程中研究人員遭遇多次失敗,例如母鼠流產,或者胚胎無法成功植入母鼠子宮內或胎死腹中,但最後終於誕生了一隻健康幼鼠,隨後又有更多小鼠順利誕生。


然而,整個流程還不夠完善。林克彥的團隊從數百顆幹細胞著手,經過五週卵子成熟,僅有16顆存活。之後他們讓實驗室成功製造的卵子與精子結合,而這些由皮膚細胞轉化而來的卵子最終成為健康幼鼠的比例極低;相較之下,以來自成鼠的卵子進行體外授精培養出健康幼鼠,成功率達62%。無論如何,科學家已證明這方法可行,而經由此方法誕生的八隻幼鼠也能健康成長,甚至能交配並生下健康子代。......