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重點提要
■ 幹細胞可以分化形成動物體內所有器官，這個過程讓科學家覺既嚮往又困惑。
■ 一支頂尖的日本研究團隊證明，可以利用胚胎幹細胞在實驗室培育出人類和小鼠的視網膜。
■ 這些實驗讓我們更了解大腦的發育過程，而且從中獲得的知識或許最後可用來治療眼睛疾病。
在子宮內，胚胎最早是一團由相同細胞構成的球體，由此分化出各種不同類型的細胞，形成井然有序的結構，最後成為人體所有的器官。其過程全靠生物的內在章法指揮，讓每個曲皺摺疊的組織按部就班地長成適當的形狀和大小。
圖片出處：《科學人》雜誌2012年第130期12月號
科學家對於簡單構造演變到複雜系統已經很熟悉了，在探究胚胎發育機制時卻仍然總是帶著讚歎，並且渴望在實驗室裡複製早期發育的過程。他們除了想更深入了解生物學，也希望能應用這些知識來修補、替換受損的組織。這個時機可能已經到了，最近科學家在研究複雜發育的機制上大有斬獲，可能不出10年，以體外培養出的替代器官進行移植的願景，就可以實現。
懸浮培養幹細胞
我對這預測的樂觀態度，來自於我實驗室最近的幹細胞研究。幹細胞能分化出其他類型的細胞，我們的研究顯示，實驗室培養的幹細胞可長成視網膜，這是眼睛內負責將光線轉為電和化學信號、再傳遞到大腦的關鍵構造。我們在其他研究中也曾培養出腦的皮質組織和部份腦下腺，在進行這些實驗時，我們應用了對生物體內信號系統的豐富知識，來誘導培養皿中一層扁平分散的細胞形成立體結構。在化學信號的刺激之下，幹細胞自己組織形成視網膜，這個成功點燃了我們的希望，或許我們能利用這方法培養視網膜組織，來治療黃斑退化等眼疾。
我們一開始嘗試培養視網膜時，是想找出基本的發育機制。我們知道視網膜源自胚胎大腦的間腦（dience-phalon），在發育初期，間腦某區域擴張形成如氣球般的視胞（optic vesicle），接著視胞向內摺疊成視杯（optic cup），視杯最後再逐漸轉變為視網膜。
關於視杯形成的確切機制，生物學家爭論了一個世紀，即使到現在，研究腦發育的科學家仍有不同的見解。其中一個懸而未解的問題是：像水晶體和角膜等鄰近的構造，是否扮演了某些角色。有些科學家認為，水晶體會推視網膜向內凹；也有科學家斷言，就算沒有水晶體的幫助，視杯也能形成。
要觀察母體內發育中的胚胎非常困難，於是我的研究團隊在10年前決定單看眼球發育過程，看看能不能得到更多知識。我們的做法是把胚胎幹細胞放在培養皿中，讓它們接觸會促進眼睛發育的化學分子，然後觀察細胞的變化。胚胎幹細胞是最不成熟的幹細胞，可分化出動物體內從神經元到肌肉細胞等所有類型的組織。
那時並沒有利用培養幹細胞來製造器官的技術，組織工程學家嘗試把這些細胞置於形狀像膀胱或食道的人工支架上，希望能長出新器官，但結果成敗參半，因此我們改採不同策略。當我們2000年初次嘗試時，設計了一套細胞培養方法，想讓小鼠胚胎幹細胞發育成不同類型的神經元。我們把小鼠胚胎幹細胞和餵養細胞（feeder cell）一起放在培養皿中，餵養細胞會釋出促使幹細胞成熟的化學信號。我們很清楚這樣一層扁平的細胞並不會複製形成真正立體的器官，但仍想看看只有化學信號，是否足以指揮細胞自動形成具有眼睛發育初期特徵的特殊神經元。
實驗剛開始並不成功，但到了2005年，我們在技術上有了突破，發明了可以擺脫早期幹細胞技術平面限制的培養方法：我們讓幹細胞懸浮在培養液中。會採用這種讓細胞可在空間中移動的懸浮培養法，有兩個理由：第一，立體的細胞聚集比扁平細胞層更容易形成複雜的組織結構；再者，細胞之間需要密切交流才能發展出複雜構造，而立體培養方法讓細胞更能靈活聯繫，促進細胞間傳訊。
我們利用新的培養法，讓細胞懸浮在微量液體培養基中，在培養盤的小凹槽裡培養。然後我們發現，細胞開始找到同伴並黏聚在一起，每個小凹槽中有大約3000個細胞形成的聚集，可分化出腦部前側的神經前驅細胞（未成熟的神經細胞）。接著細胞開始互送信號，3~4天後，形成了由一層神經上皮（neuroepithelium）細胞構成的中空球體。我們稱這培養方法為「快速重組類胚胎體懸浮於血清培養法」（serum-free floating culture of embryoid body-like aggregate with quick reaggregation, SFEBq）。
胚胎中的神經上皮細胞在收到外來化學信號後，最後會形成特定的腦構造。其中一個信號會啟動間腦的發育，間腦再衍生出視網膜和下視丘（控制食慾和其他身體基本功能的腦區）。我們培養出細胞聚集球後，在SFEBq加入一些與視網膜分化有關的蛋白質，試圖讓這些細胞進一步分化出視網膜前驅細胞。
細胞球懸浮在培養液中幾天後，視網膜上皮組織開始向外凸出，形成類似視胞的囊泡，接著這個囊泡自行改變形狀：細胞球本體的上皮向內凹摺，細胞的移動產生了有如白蘭地酒杯的構造，類似胚胎眼睛發育過程中的視杯。
換句話說，培養皿中懸浮的幹細胞團可以形成井然有序的構造，這真是讓人眼睛一亮。它們不像正常胚胎發育時有水晶體或角膜相鄰，卻仍能形成視杯構造。長久以來視網膜發育是否需要鄰近組織（像是水晶體細胞）幫助的疑問，現在有了明確的回答。至少在體外實驗，視網膜形成是一個自我組織的現象，僅靠細胞內在機制即已足夠。
層層堆疊視網膜
培養皿中的細胞會展現我們在胚胎見到的正常發育過程：留在培養液中的視杯組織兩週後長到直徑約兩毫米，單層視網膜上皮細胞也像胚胎一樣轉變為多層構造，具有動物出生後視網膜上所有的六種細胞，包含了最外層的感光受體，和最內層負責連結視網膜和大腦的節細胞，而這兩種細胞層之間，則和真正視網膜一樣有數層中間神經元（interneuron）。這些轉變同樣由內在機制指揮該製造哪些種類的細胞，以及如何排列出立體構造。
工作尚未結束，我們還想找出許多問題的答案，例如視杯是如何形成的，以及細胞球如何產生特定的模式結構。一團均勻物質自發產生複雜形狀的現象稱為「失稱」（symmetry breaking），在胚胎發育過程中，處處可見失稱現象，如果不是它，受精卵的重複分裂只會停留在未分化細胞團的階段。具有自我組織能力的胚胎幹細胞培養，似乎很適合用來研究哺乳類撲朔迷離的胚胎發育過程。
還有一個迫切待解的問題︰是什麼樣的機制讓最初為單層細胞的視網膜神經上皮形成視杯構造？在一般情況下，機械力和堅硬度會控制上皮組織的改變，透過測量培養皿中視杯形成過程中，上皮細胞各部位的受力方向和組織堅硬度，我們發現視杯構造的形成經歷了三個步驟。當視杯形成時，視網膜的堅硬度降低、可彎曲性增加，位於視網膜和上皮交界處的細胞也同時轉變為楔形，最後視網膜因快速擴張而向內彎曲。這三個步驟對視杯的發展極為重要，事實上，當我們把組織力學的條件輸入電腦，程式模擬的結果也是類似的酒杯形狀。
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