新科學怪人:再生醫學如何生出一顆心臟

作者 | 發布日期 2013 年 07 月 10 日 13:00 | 分類 生物科技 , 醫療科技
lu1307100103

在《科學怪人》的故事中,科學怪人是由多具屍體各取一部份組合後並通電而成。現代再生醫學沒有那麼噁心,但也確實運用到已經死去的器官。Nature期刊報導,美國休士頓德克薩斯心臟研究中心的Doris Taylor,已經成功地把死亡的老鼠心臟,用組織工程學的方式重新改造成活的心臟,做為未來進行器官移植的基礎。



複雜器官考驗再生醫學

用舊的器官重新改造成可以再次使用的器官並不是新聞,不過這些都是針對結構相對簡單的器官。目前的再生醫學可以做到一些中空的、構造簡單的器官,例如氣管與膀胱,只要在舊的「支架」上填入幹細胞,等到幹細胞自行分化並成長即可。但是對於像腎臟與肺臟等,難度立刻拉高,因為這些器官內的細胞種類動輒十幾種,還得要生長在正確的位置上,還必須要接上血管組織供給他們養份,接下來,還要提高它們的「使用年限」,避免再次移植,對尤其是年輕的病患造成另一次危機。

心臟的再生又更複雜,因為它必須每天像幫浦一樣打出7000公升的血液到身體各處,完全沒有其他備用的器官可替代,它的四個心房心室以及各種瓣膜都是由數種特定的心肌細胞組成,難度比腎與肺還要高,另外心肌細胞的養分供應與廢物排除也都仰賴完整的血管組織支援才行。像之前曾報導過的「缺腎臟,3D 印表機印一顆出來如何?」目前也還在初步階段,列印出來的腎臟還無法使用,結構複雜的心臟就更不用說了。

用iPS細胞在支架上分化

過往我們也曾報導過「舊器官再利用?再生醫學新突破」,裡面提到的美國麻塞諸塞州總醫院繼培養老鼠腎臟後,現在也把實驗範圍擴展到心臟上。他們把一顆人類心臟接上幫浦,輸入洗滌劑,把心臟的DNA、可溶性蛋白、血脂、糖等等物質都洗掉,只剩下一個膠原蛋白、細胞外基質等具有支撐作用的支架。

▲(圖左)經由注入洗滌劑將舊有細胞清除;(圖中)只剩支架後,注入幹細胞開始培養;(圖右)透過外部環境模擬設備提供電子訊號,刺激細胞長成後確實能夠跳動以輸送血液。

接下來就是要決定選用哪些細胞以附著到支架上。一般研究者可能使用血管內皮細胞形成血管組織,再用肌肉祖細胞形成心臟各房室,不過數年前就在Taylor的團隊接受此類實驗訓練的醫院外科醫師Harald Ott表示,他們採用iPS細胞來培養,因為iPS細胞採自病患本體,未來就不會有排斥的問題,iPS細胞也可自行分化成心臟所需的各種細胞。不過目前他們遇到兩個挑戰,Ott表示iPS必須生長出1億到500億個細胞才夠用,同時長出來的細胞種類也需正確。

模擬人體環境協助生長

有趣的是,在細胞成長的期間,研究團隊必須用類似心臟起搏器的環境模擬設備,讓細胞處於一個模擬環境,就好像胎兒在母體中會感受到母親的心跳一樣,之後它們才能真正發揮作用。不過人體的狀況變化快速,像心跳的頻率或血壓高低等如何模擬,也是研究人員面對的挑戰。

Taylor與Ott在先前的實驗中發現,培養老鼠的心肌細胞,大約8到10天後它就會自行跳動,大約能發揮2%成年老鼠心臟的輸血功能,Taylor表示已經在老鼠跟更大的哺乳動物心臟實驗獲得25%的效果,雖然目前她們還未交出正式的報告。

▲這是一個只有支架、等待注入幹細胞的「心臟」(Photo Credit: OTT LAB/MASSACHUSETTS GENERAL HOSPITAL)

真正難在移植後

最後的挑戰是將器官移入體內。Ott的團隊曾嘗試移植經過改造的老鼠肺臟,結果顯示它可以發揮作用,但問題是肺泡很快開始積水。另外一個案例是移植改造過的心臟,雖然老鼠的身體可以供給養分給心臟,但它並沒有發揮正常心臟的作用。

這些實驗到目前為止還沒有真正成功,但對於心臟乃至於其他器官的再生醫學研究帶來啟發,例如改造過的心臟瓣膜在體內不但能存活,還具有自我修復能力,或者未來也可以只移植部份器官,例如某幾片肺葉。研究過程對心臟的立體架構也有進一步瞭解,往後也可以只進行局部修復,不一定要全部換掉。

延伸閱讀

相關資料
Nature.com: Tissue engineering: How to build a heart 

發表迴響