神經幹細胞的那些事，如何對抗神經退化性疾病?

作者簡介：

趙年欣：雖然身為一個生科人，但不想要一輩子就跟著實驗這樣牽扯下去。因為喜歡文字所帶來的溫度感，所以想嘗試將喜愛的大腦科學與文字結合，迸出不一樣的花火，朝著科青邁進。

神經細胞的緣起

       神經發育的系統一直都是科學家們著迷的議題之一，若能剖析整個系統架構，也許我們就離治療神經退化性疾病更進一步。在這龐雜的中樞神經系統(central nervous system, CNS)中，由神經幹細胞(neural stem cell)分化的神經細胞(neuron)佔了重要角色，但其實作為神經細胞的支持與營養的來源的神經膠質細胞(glial)，也是不可或缺的。

 Qian(2000)以胚胎發育第10天(E10, embryonic day)到出生後第7天(P7, postnatal day)的老鼠作為實驗對象。並觀察不同時期各種細胞的含量(表一)。數字表示該細胞所佔的百分比。數字越高，細胞所含的比例愈高。神經幹細胞在E10、E12時期大量表達。隨著時間的推演，E12(胚胎發育第12天)_開始有下降的趨勢，並先分化為神經細胞。神經細胞在E12後大量表現，寡樹突膠細胞和星狀膠細胞(兩者都是神經膠細胞)在P0(出生後)才會出現。這表示說在胚胎時期神經幹細胞佔據多數，並先分化成神經細胞，在出生後，神經膠質細胞才會分化出來完整了整個神經發育系統。

         Temple (2001)將整個神經發育過程以圖表達(圖一)。神經幹細胞一開始的擴張時期使得細胞不斷分裂，並產生大量的子代。周遭的生長因子(如Bone morphogenetic proteins (BMP)、Fibroblast growth factor(FGF)和Epidermal growth factor(EGF))調節了神經發育的過程，並作為下個階段開始的訊號。當要開始分化成神經細胞時，身為生長因子的BMP和低濃度的FGF能促使神經細胞的形成，但EGF卻對神經細胞沒有促進增生的效果。直到神經膠質細胞增生時期(圖一圈圈所示)，生長因子開始誘導神經膠質細胞的增生。此時BMP能促使星狀膠質細胞形成，EGF和FGF則是影響神經膠質細胞的增生。

        

                神經幹細胞的分化與增生具有時間與位置特性，並非隨機。在特定的位置所分化的神經細胞都會表達該位置的特定神經傳導物質。像是位於基底前腦(basal forebrain)的幹細胞就會產生更多γ-胺基丁酸(GABA)的神經細胞。也許我們能利用外界誘導的方式改變它原來的特性並加以利用，以對抗神經退化性疾病這也是下一段所要為各位介紹的部分。

神經幹細胞-胚胎幹細胞ESCs與誘導性多功能幹細胞iPSCs的應用

       神經幹細胞是位在成人中樞神經系統中的未成熟細胞，並具有以下三種特性：(一)自我更新(self-renewal): 進行幹細胞自身的發育和修補，得以足夠產生新的細胞；(二)神經全能性(neural totipotency): 可以使幹細胞主要分化成神經細胞、星狀膠細胞與寡樹突膠細胞；(三)再生能力(regeneration): 使幹細胞不斷產生子代。也因為幹細胞的這些特性，興起了幹細胞在醫療上能修補器官的潛能。   

    現今常以胚胎幹細胞embryonic stem cells (ESCs)和誘導性多功能幹細胞induced pluripotent cells (iPSCs)作為臨床上的應用。胚胎幹細胞(ESCs)取自囊胚(blastocyst)中的內細胞團(inner cell mass ,ICM)，具有分化為各種細胞種類的功能。誘導性多功能幹細胞iPSCs則是可以直接從個體身上直接拿一塊組織，加入四種主要因子(cMYC、OCT4、KLF4、SOX2)使組織回春變成幹細胞的狀態。以下我們就以這兩種幹細胞來舉例說明神經幹細胞針對巴金森氏症治療(Parkinson's disease)的轉植歷程。

        Sangmi Chung(2002)提及了以胚胎幹細胞(ESCs)能治療巴金森氏症的方法。巴金森氏症是僅次於阿茲海默症的第二大的神經退化性疾病。在病理特徵中主要是黑質缺乏多巴胺神經元(dopaminergic neuron)，使患者產生不自主性的顫抖、肌肉僵硬、運動功能不協調等。將內細胞團從老鼠囊胚中取出體外後，進行培養(圖二)，Sangmi Chung發現利用細菌載體(vector)攜帶一種調節多巴胺神經細胞發育的轉錄因子Nurr-1，可以促使4-5倍量的胚胎幹細胞分化成多巴胺神經細胞，增加轉換的效率性，並由此可以決定幹細胞轉變成多巴胺神經元，提供轉化的效能。

    雖然胚胎幹細胞(ESCs)的發現就已是再生醫學上的一大進步，但要從胚囊中取出內細胞團並加以利用，在倫理上卻存在著許多爭議。2012年諾貝爾生理醫學獎得主-山中伸彌教授因為找到了能使成熟體細胞(somatic cell)重寫成多功能幹細胞(pluripotent cell)的主要因子，從此誘導性多功能幹細胞(iPSCs)聲名大噪。但在這之前Frank Soldner等人(2009)就在這已針對該細胞進行類似研究。

  以巴金森氏症患者的皮膚纖維母細胞(fibroblast) (圖三)，並用病毒作為載體(vector)攜帶能促使細胞回春成的因子(OCT4、KLF4、SOX2)，當細胞不斷增生後，從中篩選出神經前驅細胞，在進一步分化為多巴胺神經細胞。促使細胞回春的因子-cMYC能使細胞分裂，若沒有良好的調節機制，會讓細胞大量增生。並發現剔除cMYC的誘導性多功能幹細胞(iPSC)雖然生長比較慢，但最後形成多巴胺神經細胞的功能仍然完整。所以針對這項實驗而言，即使缺乏了cMYC似乎不會造成太多功能影響，並因而促使細胞不過度生長。

         我們能從這兩項實驗中發現，不論使用胚胎幹細胞或是誘導性多功能幹細胞，都會使用轉殖基因的技術。且由看似完美的治療方式，但當我們利用病毒或細菌攜帶欲改造的基因片段時，必然會存在著大量的風險。

結語

        神經幹細胞是個捉摸不定的東西，能操縱它的因素很多，但真正會轉變成我們想要的樣子很少。它的快速增生性，也使許多學者畏懼它的過度療效，並促使腫瘤的發生。

         有時理想與臨床上的應用總是會隔著一大條鴻溝。我們常透過基礎知識來建構整個未來的美好，但在執行時卻又會遇到許多難解的謎題，使我們總是碰壁受阻。儘管透過神經幹細胞基因插入的誘導下，我們仍須有很大的進步空間使人類抵抗神經退化性疾病的來臨，但這些困阻都將是我們進步的動力，為人類創下更美好的一片天地。你準備好為你的神經開闢新世界了嗎?

參考文獻：

1. Qian, X., Shen, Q., Goderie, S. K., He, W., Capela, A., Davis, A. A., & Temple, S. (2000). Timing of CNS cell generation: a programmed sequence of neuron and glial cell production from isolated murine cortical stem cells. Neuron, 28(1), 69-80.

2. Temple, S. (2001). The development of neural stem cells. Nature, 414(6859), 112-117.

3. Chung, S., Sonntag, K. C., Andersson, T., Bjorklund, L. M., Park, J. J., Kim, D. W., ... & Kim, K. S. (2002). Genetic engineering of mouse embryonic stem cells by Nurr1 enhances differentiation and maturation into dopaminergic neurons. European Journal of Neuroscience, 16(10), 1829-1838.

4. Soldner, F., Hockemeyer, D., Beard, C., Gao, Q., Bell, G. W., Cook, E. G., ... & Isacson, O. (2009). Parkinson's disease patient-derived induced pluripotent stem cells free of viral reprogramming factors. Cell, 136(5), 964-977.

預防勝於治療！從眼睛淺談阿茲海默氏症的早期發現

作者簡介

呂宗漢　中山醫學大學心理學系，現為大學部三年級學生，並於中山醫學大學視覺保健暨生物技術核心實驗室從事相關研究。

               自Alois Alzheimer醫師發現了會令腦神經退化的退化性疾病－阿茲海默氏症後，至今，大多數的科學家們仍努力不懈地想要找尋治療阿茲海默氏症的解藥。現代醫療，並無研發出可以根治這種疾病的解藥，僅能透過像是膽鹼酶抑制劑 (Cholinesterase Inhibitor)等藥物作症狀減緩、延緩惡化。雖然並無根治解藥的出現，但隨著預防與精準醫學的蓬勃發展，早期的偵測症狀與因子，成了科學家與相關醫療人員有興趣的主題：如若能提早發現有致病可能，那麼是否有可能爭取多一點的時間來思考如何防範疾病發生？

※全身一起來，哪兒都不放過

　　科學家嘗試了很多方法來尋找阿茲海默氏症的早期發現因子，雖然斬獲不多，但卻意外確立了一個必經症狀：輕度認知障礙。所謂的輕度認知障礙 (Mild Cognitive Impairment; MCI)，是介於正常老化與輕度失智症之間的一種過渡階段，在此階段裡，患者的記憶力與同年齡人相比，其下降之程度低於正常指標。現在根據許多研究確定，發展成為阿茲海默氏症的患者，在發病初期大多經歷此階段，所以科學家便在此階段，透過各種方式去探討是否有生物指標因子(Biomarker)可供參考。｛2, 4｝

　　磁振造影(Magnetic Resonance Imaging; MRI)，又稱核磁共振，是一種完全無幅射、安全性極高的檢查。它可以提供清楚的腦部本身以及相關血管的解剖影像，在阿茲海默氏症中，透過磁振造影可以看到大腦皮質的萎縮，尤其集中於某些區域，像是額葉或顳葉。透過正子造影(Positron Emission Tomography, PET)去追蹤相關配體(ligands)，例如：匹茲堡化合物-B(Pittsburgh Compound-B; PIB)，此類配體可以與Aβ斑塊做結合，並透過正子造影在活體上即可顯影觀察。腦脊液(Cerebrospinal; CSF)抽樣檢查，係指透過抽取腦脊液做生化標誌蛋白分析，藉由檢測Aβ-42與磷酸化τ蛋白在腦脊液的數量，去判斷是否已有阿茲海默氏症的發病因子出現，是目前最精確可得知是否患病的偵測方法。基因檢測(Gene Analysis)則透過是否具有家族遺傳或是阿茲海默氏症確定基因來做診察，透過抽血檢驗的方式，分析病患是否帶有脫輔基蛋白質E4的基因(Apolipoprotein E4; ApoE4)，如有此基因存在，則較一般人有五到十倍的機會，容易在老年時得到阿茲海默症。｛１, 2, 3, 4｝

　　上述方法，基本上都有一定能力在MCI皆段可偵測到致病因子，但礙於儀器貴重複雜與施測費用昂貴，在現今醫療並不普遍於大眾健康篩檢項目，於是科學家想再找得一個方向，這方向不僅是可以普遍應用在人身上，且必須達到無侵入性診斷為佳，因此，在澳洲的Frost等人(2013)，便想到了一個路徑－視網膜。｛1, 2｝

※靈魂之窗，看外也看內

　　許多人會問，眼睛內的視網膜跟腦部疾病的阿茲海默氏症有什麼關係？其實，同樣的問題 Frost等人也被問過，但其實我們都疏忽了一件事，腦神經總共有十二對，每一對都連接到腦部，其中的第二對視神經，就是從視網膜連接到腦去的，所以說，從視網膜有沒有可能一探腦部疾病的徵兆？Frost等人的研究，證實了有機會可以從視網膜退化偵測阿茲海默氏症的早期因子。

　　根據Frost的研究，利用眼底鏡呈現患者視網膜影像，在影像裡可以看到視盤，其中有血管自視盤伸出，視盤後即是視神經連接到腦部。Frost等人根據影像圖，蒐集視網膜血管各類參數，並比對正常人眼底鏡影像與參數，去比較兩者之間視網膜血管的分布程度與血流狀況，發現在病患組的視網膜，其分布與分支程度皆劣於正常組，且配合正子造影搭配PIB追蹤技術，更加證實此一結果，因此Frost等人推論，透過眼底鏡進行視網膜血管檢查，可以及早發現阿茲海默氏症早期因子。｛1｝

　　其實不只Frost等人在視網膜血管分布的研究，可以發現阿茲海默氏症早期因子， Kirbas(2013)也發表論文，指出視網膜神經纖維層厚度也有可能是一阿海默氏症的早期因子。根據Kirbas在2013年發表的研究，他找來正常組受試者與經由MRI與簡易智能量表(Mini-mental state examination; MMSE)篩選通過後的阿茲海默氏症受試者，在控制住年齡、性別、剔除相關特殊精神疾病與各類眼疾後，進行比對發現，阿茲海默氏症患者的視網膜神經纖維層厚度有顯著性的變薄趨勢，特別是在中央層部分。

    透過眼睛去探討與阿茲海默氏症之間的關聯，在近五年裡被大力的研究， Ikram在2017年彙整了一篇文獻回顧，裡面探討了兩類眼疾與阿茲海默氏症之間的關聯，分別是老年性黃斑部病變(age-related macular degeneration; AMD)與開放性青光眼(Open-angle glaucoma)。

　　根據Ikram所收集到的資訊｛3, 5｝，年齡介於六十至七十五歲的人，有6%會得此眼疾，其中又有20~30%得此眼疾者有機率發展成認知障礙與失智。從眼底鏡觀察眼底視網膜（如附圖，圖片來源：｛3｝），在中央窩部分，正常組有著中央窩特有的黑色盲點特徵，但在AMD組則發現有類似斑塊物沉積，後經化學組織免疫反應得知，其確定為類澱粉蛋白堆積。雖然這數據看似與阿茲海默氏症有關聯，但並沒有達到顯著性，現階段也並沒有辦法進一步證實其確實與阿茲海默氏症有關係。

　　另外一項便是開放性青光眼，根據Ikram在其所撰述的回顧文獻裡論述，此類眼疾也與老年性退化有關。開放性青光眼係因其眼壓逐漸升高，於末期時病患會發覺視力模糊，視覺範圍變窄，一般這類型的青光眼號發於晚年。據Ikram的文獻回顧，在阿茲海默氏症裡的視網膜神經纖維層損傷，與視網膜神經節細胞和視神經軸突有關，兩者受損都有機率發展成開放性青光眼，而其影響也將間接經由視神經軸突後送至腦部，而至於是否會影響腦部而導致阿茲海默氏症的發展則尚未定論，但Ikram表示，從相關的疾病人口數據做比較，似乎是有那趨勢呈現。｛3, 5｝

※有潛力的新一代檢測技術，各界看好

　　阿茲海默氏症的致病因子，至今仍是成謎，檢測的方法也隨著科技進步而不斷更新，但早期發現的指標因子則是科學家們最感興趣的，雖然現行的早期篩檢方法多樣，但礙於大多數因價格昂貴且為侵入性手術，或可靠性不足而無法成為標準方法。透過眼睛整合視覺視力的檢測，或許是新一代檢測的明日之星，雖然此部分的相關研究才正要起步，但陸陸續續出爐的相關數據，雖然還不具顯著性，但其趨勢已讓科學家們相當振奮，如未來還能搭配相關行為衡鑑或病理免疫反應等測試，阿茲海默氏症早期因子之發現或許指日可待。

參考文獻

1.          Frost, S., Kanagasingam, Y., Sohrabi, H., Vignarajan, J., Bourgeat, P., Salvado, O., ... & Ellis, K. A. (2013). Retinal vascular biomarkers for early detection and monitoring of Alzheimer’s disease. Translational psychiatry, 3(2), e233.

2.          Kirbas, S., Turkyilmaz, K., Anlar, O., Tufekci, A., & Durmus, M. (2013). Retinal nerve fiber layer thickness in patients with Alzheimer disease. Journal of Neuro-Ophthalmology, 33(1), 58-61.

3.          Ikram, M. K., Cheung, C. Y., Wong, T. Y., & Chen, C. P. (2012). Retinal pathology as biomarker for cognitive impairment and Alzheimer's disease. Journal of Neurology, Neurosurgery & Psychiatry, 83(9), 917-922.

4.          Reitz C, Brayne C, Mayeux R. Epidemiology of Alzheimer disease. Nat Rev Neurol

2011;7:137e52.

5.          Pham TQ, Kifley A, Mitchell P, et al. Relation of age-related macular degeneration and cognitive impairment in an older population. Gerontology 2006;52:353e8.