「發生」萬萬歲 & 血管的生成:多細胞生物體內高速公路的構築過程

<「發生」萬萬歲>

動物胚胎的發育,可分為細胞分裂、細胞分化、模式形成、型態發生等等幾個階段,這些細胞、組織及器官在個體空間與時間上的整合分佈,都牽涉到細胞之間的溝通,以及基因的表現時機和位置。人們對這些精準的調控機制所知有限,然而仍舊不斷地藉由那些看來和我們長的「很不像」的果蠅、線蟲、斑馬魚以及老鼠,試著了解這場命「孕」交響曲,發生、錯生、重生、以及再生這四個樂章。

講師:陳俊宏│臺大生命科學系教授

生殖是生物與生俱來的本能,看似容易實則困難重重。人類成年男子每天可產生數億個精子,成年女子每個月固定排一個卵子,這都需要極為複雜的生理調控機制才能完成;各種魚類的精卵在海水中混成一團,各種樹木的花粉在空氣中隨風飄揚,它們要如何不與其他物種的精卵花粉雜交結合,確保能夠在紊亂紛呈的大自然中找到正確的彼此,也需要極其細緻的配對機制。

精卵結合已是如此困難重重,胚胎發育更是一件不可能的任務,舉凡細胞分裂、細胞分化、模式形成、型態發生,每個階段都有其不可思議之處。人類在胚胎發育的十個月內,從一個細胞分裂出一兆個細胞,最快時一小時細胞分裂一次,複製 30 億對鹼基,製造出 2 萬種蛋白質;一顆受精卵細胞在這過程中,也分化為 270 種五花八門的細胞。這些細胞共同形成「人模人樣」的物種模式,卻不會讓手長出蹼來,或是讓門牙失控長成獠牙,人們大致上得以維持左右均衡的型態,這都是神奇的調控機制在發揮作用,其中有不少迄今仍是未知的謎。

然而這些調控機制並非萬無一失,胚胎發育過程中也可能出狀況,產生畸形發展。比方說遺傳出問題導致的唐氏症或六指症,病毒感染造成的小腦症,成長環境條件變化或受到汙染造成的畸形型態,甚至出現蟹足腫或是疣狀表皮發育不良等等,外型駭人的可怖病變。這些細胞「錯生」的病症,有些可以進行適度治療,但也有很多是現代醫學力有未逮之處,有待未來醫界的努力。

各物種也都有程度不一的細胞再生能力。人類的再生能力整體來說比較有限,只有胃部、肝臟、膀胱跟皮膚等少數器官,具有相對來說還算不錯的再生能力;然而諸如渦蟲、水螅、海星等等生物,卻有近乎無窮盡的再生能力,無論怎麼切分其肢體,都能夠完整地再生出來,而且再生部位的精準度令人讚嘆。不過如此強大的再生能力並非沒有代價,往往是以免疫功能低下換來的,魚與熊掌的取捨令人兩難;再生能力的來源也令人費解,目前學界暫時以「能量修補說」來解釋,不過還是有很多未知之處。

既然人類的再生能力有限,一旦重要器官出了問題,就只能等待「重生」——也就是跟器官移植。然而器官移植一直都是供不應求,即使幸運獲得器官捐贈,組織相容性也經常是一大問題。雖然有許多優秀的學者投身於相關研究,不過身體若是遭受到太過嚴重的損傷,現代醫學能夠幫上忙的地方,眼下仍然有其限度。珍惜你的身體部位,是亙古不變的最佳保健之道。

 

<血管的生成:多細胞生物體內高速公路的構築過程>

多細胞生物的閉鎖式循環系統,是極有效率的演化成果,而這極度仰賴有如體內高速公路系統的血管生成,促進物質交換的速度與效率。近年的研究發現,癌細胞的生長也需要依賴新生血管的生成,因此對血管生成調控的充分理解與控制,可能是治療許多疾病的捷徑。

講師:李心予│臺大生命科學系教授

血管由內皮細胞、平滑肌肉細胞、以及纖維細胞構成。內皮細胞是血管最基本的構造,微血管基本上就是單純由內皮細胞所構成,不但物質通透血管內外完全靠內皮細胞掌控,血管新生也與內皮細胞有高度相關。

正常的胚胎血管新生,需要大量養分及代謝,血管生成才足以供應快速發展的胚胎生長所需。癌細胞在形成惡性腫瘤時,同樣會分泌刺激血管新生的物質,刺激宿主新生血管,以供應其增生所需養分。癌細胞藉由血管這條高速公路,在體內進行轉移。這與細胞的大小及其擴散作用有關,細胞必須大到足以容納各種必要的胞器,但又不能大到超出擴散作用的界線,讓細胞無法依賴擴散作用交換物質;然而若能藉由血管輸送養分,其增生就可突破其自然大小限制。

癌細胞的生成與致癌基因有關,然而致癌基因的候選人族繁不及備載,每個細胞分裂的因子只要在突變之後,會影響正常的細胞分裂,它就算是致癌基因。除了致癌基因以外,癌細胞生成跟另一種「腫瘤抑制基因」也有關係。腫瘤抑制基因的功能,是在細胞完成所有染色體複製之前,抑制細胞分裂的動作;腫瘤抑制基因若是發生突變,失去抑制細胞分裂的功能,細胞就有可能在完成正常的染色體複製前逕行分裂,從而產生腫瘤細胞。腫瘤細胞有良性跟惡性之分,腫瘤是否會成為惡性的癌細胞,端看該細胞團是否能夠突破細胞下基底質層,進入下層組織而定。

既然癌細胞增生與血管新生有高度相關,就可以從血管生成調控的機制著手,進行抑制癌細胞增生的治療。這個機制是由血管生成抑制物與促進物的相對平衡所決定,當血管生成抑制物濃度相對高,促進物濃度相對低時,細胞分裂的頻率就低,反之亦然。目前已知有多種物質具有促進血管生成的能力,其中的 VEGF 分子與癌細胞生成有關,傳統的癌症治療藥物就是針對 VEGF 開發的抗體藥;不過現在有藉由生物分子交互作用分析系統 (Biacore) ,開發出來的結晶繞射 (Crystalgraphy) 以及高通量篩選 (High Throughput Screening) 技術,可進行大量檢測並獲得大量資訊,這是未來研發癌症療法的新利器。

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