干细胞於耳蜗毛细胞再生的研究进展

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第 45 卷第 1 號 2010陳信傑　王智弘

前 言

根據世界衛生組織統計，目前全世界約有278,000,000人是屬於雙側耳重度聽力障礙，若再加上單側耳的聽損個案，人數當然不僅於此，推估年齡超過65歲的人口中，幾乎每3人就有一個人達到聽力殘障等級。我國內政部2007年統計台灣身心障礙人口數，發現聽覺機能障礙約佔總申請比例的10.7%，僅次於肢體殘障的申請者，而其中年齡超過65歲的就佔了62.2%，顯見隨著全球性人口老化的發展趨勢，聽障人口數只會繼續持續成長，因應

聽力障礙(hearing impairment)所衍生的社會福利政策與聽障患者的生活溝通品質等對策，也成為世界各國必須正視解決的問題。除了做好聽力保健的紮根工作外，醫師及科學研究人員也積極投入聽障治療相關研究與輔具的研發，其中人工電子耳的開發與成功植入的臨床成效，無疑是過去30多年來人類在聽覺修復這項不可能的任務中所締造出的一項奇蹟，這項偉大的醫學成就目前仍持續造福於失聰的患者，但僅管人工電子耳解決了多數極重度與重度失聰患者的聽障問題，實現了大多數人再次感受與聆聽聲音的夢想，人類欲進一步探索耳蝸(cochlea)

1三軍總醫院　耳鼻喉頭頸外科部2

國防醫學院　醫學科學研究所3

國防醫學院　微生物及免疫學研究所

收文日期：2008 年 12 月 17 日 修訂日期：2009 年 7 月 24 日 接受刊登日期：2009 年 10 月 24 日通訊作者及抽印本索取處：王智弘醫師　11490　台北市內湖區成功路二段325號　三軍總醫院耳鼻喉頭頸外科部

幹細胞於耳蝸毛細胞再生的研究進展

陳信傑1,2　王智弘1-3

摘 要

感音神經性聽力障礙是屬於永久性的聽力障礙，原因在於感覺接受器的毛細胞或傳遞聲音訊息的聽神經元一旦喪失後就無法再生。近年來由於幹細胞再生醫學的發展迅速，使得各式各樣疾病的幹細胞應用研究模式也隨之興起，在聽力障礙的研究議題上，使用包括具爭議性的胚胎幹細胞、胎兒幹細胞，到自體的骨髓幹細胞、成體幹細胞和神經幹細胞等不同來源的幹細胞，並將這些幹細胞植入哺乳類動物的內耳，試圖利用幹細胞的再生與分化來取代或再生已遺失的內耳細胞。此外，研究人員也從內耳耳蝸特定組織中找到幹細胞的存在，並且成功培養出具有豐富潛能的內耳耳蝸幹細胞。可以想見的是耳蝸幹細胞的發現已為聽覺修復開啟了另一扇門，未來的研究將著眼於如何將幹細胞誘導分化成為耳蝸不同組成的細胞，釐清誘導分化過程中所可能涉及的分子作用機制，特別是指分化成為Corti 氏器中具有毛細胞特質的細胞族群，以期藉由聽損動物治療模式的建立，進而拓展到人類的臨床應用試驗，讓失聰的人們除了助聽器、人工電子耳的選擇之外，尚有未來幹細胞用於聽覺修復之臨床應用。（台耳醫誌　2010; 45:13-19）

Key words : cochlea, hair cell, regeneration, stem cell, supporting cell （耳蝸，毛細胞，再生，幹細胞，支

持細胞）

14台灣耳鼻喉頭頸外科雜誌

幹細胞於耳蝸毛細胞再生的研究進展

毛細胞(hair cell)死而無法復活之謎，從而讓聽覺接受器的毛細胞與傳遞聲音訊息的神經細胞得以失而復得，此一目標之達成一直是生物醫學研究人員熱中探討的議題。早在20年前研究人員即發現鳥禽類耳蝸的毛細胞經噪音或耳毒性藥物傷害損失後，其周遭的支持細胞會分化成為毛細胞而使損傷遺失的毛細胞能夠再生1,2，但哺乳類動物的耳蝸卻沒有這種再生現象。過去，利用生物基因的改造技術，我們看到了基因治療(gene therapy)在遺傳性疾病、心肺及血管疾病、以及癌症腫瘤治療上的成效3,4。至於哺乳類耳蝸基因轉殖(gene transfer)的重大成就則包括將math1基因轉殖至天竺鼠成鼠耳蝸的支持細胞(supporting cells)後5，發現可以讓支持細胞轉型分化(transdifferentiation)成為毛細胞，並且具有聽覺接收的功能；利用子宮內基因轉殖的技術將math1基因轉殖至尚在胚胎發育中的耳泡(otic vesicle)6，也同樣發現Math1會誘發毛細胞的額外增生，更重要的是這些增生的毛細胞都被證實具有相同於非基因改造的毛細胞功能而表達出幾近正常的聽力接收閾值。除了基因轉殖在耳蝸毛細胞上的應用研究之外，另一項用來取代遺失的毛細胞或使毛細胞得以再生的細胞治療技術就是幹細胞(stem cells)的應用，因此本篇綜論將回顧幹細胞在耳蝸組織修復與聽能回復的研究進展，並期待藉由此一細胞治療技術的持續進步，能為人類感音神經性聽障的治療開拓出另一條新路。

內耳胚胎發育及其重要基因的調控

(一) 內耳的胚胎發育過程

相較於外耳及中耳，內耳算是最早發育的。內耳構造起源於耳板(otic placode)，於人類胚胎的第4週的初期，在後腦(hindbrain)尾部及腦脊兩側處會出現一增厚的表面外胚層(即耳板)，它是經由脊索及軸旁中胚層的誘發性影響而刺激表面外胚層所形成。耳板的誘發形成是聽覺發展中的第一個步驟，由於所有顱顏的感覺器官包括嗅覺、眼、耳、三叉神經、鰓上神經節(epibranchial ganglia)、魚類的側線(lateral line)等，都是衍生自位於神經板(neural plate)周圍的基板(placodes)，而愈來愈多的證據顯示這些基板是衍生自胚胎發育相當早期就已形成的前基板區域(pre-placodal domain)，它是圍繞在前神經板的一條外胚層結構，至於後續各基板所對應不同感覺器官的進一步發育，就必須藉由不同基因所調控的分子訊號來加以誘導。Foxi 1蛋白分子是第一個在斑馬魚(zebrafish)的耳板發育過程中最早出現的標誌，緊接著包括FGFs、BMP7的訊息蛋白分子以及轉錄因子Eya1、GATA3、Nkx5.1、Gbx2、Sox3、Sox9等均會出現在耳板即將陷入表面外胚層深部之前7,8，耳板的誘發生成尚牽涉到pax8、pax2a、dlx3b、dlx4b 等基因的調控9,10，雖然這些基因的表達在不同的物種上都不盡相同，然而前基板區域之所以在外胚層形成，顯然與鄰近的前中胚層所釋放的FGFs、BMP 以及WNT等訊息調控有關11。當耳板進入下方的間葉部形成耳凹(otic pit)，耳凹的邊緣會融合而成為耳泡(otic vesicle)或稱為聽囊(otocyst)–為原始的膜性迷路。當耳泡逐漸與表面外胚層失去聯繫，同時也會衍生出另一憩室以延伸成為內淋巴管及淋巴管囊。耳泡可進一步區隔為背側橢圓囊部(utricular portion)及腹側球囊部(saccular portion)兩大區域，橢圓囊部最後發展成為內淋巴管、橢圓囊及3個半規管，而球囊部則形成球囊及含有Corti氏器的耳蝸管(cochlear duct)。第8對腦神經會隨著扭曲的耳蝸膜狀部移入並形成螺旋神經節。圍繞在聽囊周圍的間質會分化成為軟骨性的聽被膜(cartilaginous otic capsule)，骨化後即成為內耳的骨性迷路，而耳蝸管周圍的軟骨性的聽被膜會形成包含鼓階(scala tympani)及前庭階(scala vestibule)的外淋巴腔室。大約在胎兒中期(20~22週)，內耳即達到如同成人的大小及形狀。

(二) 內耳發育過程的基因表現

藉由了解內耳感覺接受器及神經元特化的分子機轉，對於內耳受傷後如何誘發修復及再生能力是非常重要的，若能控制及調節毛細胞或神經元特定分化的候選基因將有助於回復聽力的修復過程。目