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組織工程：巧奪天工的人類智慧–組織工程

91/09/05 7859

徐善慧｜中興大學化學工程學系

陳俊宇｜中興大學化學工程學系

組織再生？真是太神奇了！

相信大家都看過《封神演義》這本家喻戶曉的神怪小說吧！其中有段關於小神童「哪吒」的故事是這麼說的：哪吒擊斃龍王三太子後，四海龍王前來復仇，哪吒為救父，遂自刎，削骨還父、剔肉還母而身亡，其師尊太乙真人以蓮花堆成哪吒身形，鍊成蓮花化身之軀以使哪吒復活。在21世紀的今日，各項科技突飛猛進，「蓮花化身」這種組織器官再生的說法，已不再只是出現在小說中遙不可及的神話。

器官再生在自然界中並非柏拉圖式的理想。壁虎遇到敵人襲擊時會自斷尾巴，趁敵人陶醉在香「尾」大餐時，一溜煙地跑掉，不過一段時間後，全新的尾巴又會自動長出來；另將海星砍成兩半丟入海中，海星不但不會死亡，且每一半都可長成獨立的個體，這種特性叫做「再生」。擁有這般器官再生的神奇功能，實在令人稱羨。近代科學家們憑藉著一股「臨淵羨魚，不如退而結網」的堅定信念，發揮「仿效自然」的巧思，重建受損的人體組織，這就是「組織工程」的主要精髓。

啥米是組織工程？

「組織工程」在2000年5月分美國《時代》（Time）雜誌中列為未來十大熱門工作的榜首，顯示這項技術正朝著蓬勃發展的前景邁進。簡單地說，組織工程主要是致力於組織和器官的再生與形成，利用材料科學與生物科技的進步，在一個模仿組織與器官形狀的材料中種入細胞，使細胞依著模型來長成新的組織與器官，以供修復人體的組織缺損。這項技術對於世界上許許多多因器官衰竭而亟待修復的患者來說，無疑是一大福音。

在認識什麼是「組織工程」之前，對於這項在科技學門中崛起的閃亮之星發展過程的了解，套句廣告詞：這是一定要的啦！

傳統上，外科醫生對於受損組織的處理，都是以手術重建的方式進行，也就是對患處直接作手術縫合或利用人體組織移植以達修復的目的。不過，二次大戰期間，由於科技知識爆炸，以及各學科間的相互整合，科學家提出了「仿效自然」的想法，希望以人工製造方式，創造出與人體正常器官相同的取代物。首先是使用人工物質如合成高分子等，作為取代物的人工器官與生醫材料，這一波風潮在1970年代達到高峰。漸漸地，科學家們發現，人工合成的物質若長久置放在人體內，會有慢性發炎等免疫排斥問題產生。於是開始醞釀出新一代的思維模式，嘗試結合人體組織移植與人工材料修復的優點，開啟了組織工程的新紀元。

早在1970年代末，麻省理工學院的優金貝爾（Eugene Bell）實驗室就成功地在體外培養出了皮膚、血管等組織。在1980年代麻省理工學院的羅伯藍格（Robert Langer）教授、哈佛醫學院的約瑟夫佛坎提（Joseph Vacanti）以及其弟查理斯佛坎提（Charles Vacanti）等人，又透過一系列的實驗證實：利用可降解的高分子材料結合細胞的植入，可以培養出新生的軟骨組織。有了這些傑出科學家的細心投入，1990年代組織工程原理的雛形遂大致建立，成為一顆崛起的新星。

如果把組織工程看作是一家人體組織器官的建設公司，那麼說起公司職員的身分背景，那可就琳琅滿目了：化學工程師、材料學家、生化學家、細胞學家、生理學家、分子生物學家、臨床醫學家、外科醫師、病理學家等等。可見組織工程並非是一項「獨門」的學科，乃是集各家所長之大成。

秘密武器！

實現人體組織器官再造的夢想，支架、細胞及訊息因子，是構成組織工程不可或缺的三大要素。打個較容易理解的比方的話，支架就像是果農種植葡萄時所搭起的棚架，細胞就是種下的種子，而生長因子就好比所施予的肥料。

想要針對受損組織進行修復動作或實現人造器官的美夢，需要這三大要素之間巧妙的配合，針對人體中不同部位的組織需要，研擬出適合組織器官再生的策略，以達成組織工程造福人群的目的。

支架–細胞的家　想要讓細胞長成我們所預期的器官構造，如果缺乏細胞的立足點，也就是作為細胞生長溫床的「支架」，是一件不可能的任務。組織工程利用特殊的生物高分子材料建構出三度空間的立體框架，讓植入的細胞可以在其中生長並增生。支架的功能不僅僅當作細胞生長的框架結構，更可以進一步地控制引導細胞朝特定的方向生長、分化。

適合作為組織工程的支架材料，基本上必須符合幾個條件：在人體內可以被降解，因為支架結構在體內存在時間過久，反而會有礙組織的再生，也就是說器官長成後所使用的支架材料必須會消失且可被人體吸收；良好的生物相容性，即沒有嚴重的免疫排斥問題；材料表面適合細胞的生長；以及具備相當的物理強度。

不過，無論所使用的材料為何，它們皆具有兩個共通的特性。首先是可塑性，可按照不同的組織器官構造，塑造出我們所想要的形態；其次是支架內部的孔洞結構，它就像是一間間的小房間，細胞植入後，如同攀岩一般先貼附在房間的牆壁上，然後慢慢地往房間中央伸展，最後細胞及其製造出的細胞外基質形成組織而占滿了整個房間，細胞彼此間穿牆而過形成聯合的整體，長成我們所要的器官。

細胞–組織再生的關鍵　組織工程的最終目的是讓細胞在體外生長分化為功能性的組織器官，採集少量的自體細胞加以培養，在體外大規模地增殖，再運用於體內器官的修復上。因此細胞是組織工程策略能否奏效的重要功臣。細胞的類型大致上可分為兩種：已分化完全的「成熟細胞」，以及具有分化成其他細胞能力的「幹細胞」。

成熟細胞的來源主要分為自體及異體細胞，當然，自體細胞自然是最為理想的細胞來源，因為不會產生免疫排斥的問題。雖然近幾十年間，體外培養細胞的技術已有令人矚目的進展，但仍有許多關鍵性的難題尚未突破。例如，如何有效地促進成熟細胞在體外的增生能力，以及細胞取得來源受限等問題，將是組織工程應用發展的一大絆腳石。

因此，最近三年間興起了一股研究「幹細胞」的熱潮，為組織工程的前景帶來一線曙光。藉由誘導幹細胞分化的研究，可以解決細胞來源不足的問題。且幹細胞具有在體外無限制增殖的特點，將解決組織工程的「細胞荒」問題。雖然目前對於幹細胞的研究尚未成熟，且針對「胚胎幹細胞」方面的研究因牽涉到倫理的問題而反對聲浪不斷。不過，由於許多科學家的投入，再加上幹細胞不僅只是存在於胚胎當中，在成熟的人體內依然可發現其蹤影，比方說骨髓中就含有造血幹細胞與間葉幹細胞，遂使得此一領域的研究正迅速地發展，相信在不久的將來，會有類似「細胞銀行」的機構出現，專門提供各式各樣的人體細胞，或培育客戶的幹細胞使其分化成為所需細胞，作為組織器官修復的重要組件。

訊息因子–所羅門之鑰　如果單單只靠支架及細胞的配合，要想完成組織再生的艱鉅任務，可說是「萬事具備，只欠東風」。唯有合適的訊息因子加入，才能誘導細胞在支架材料上正確地分化、遷移及生長，最後才有功能性正常的組織器官誕生。針對不同的細胞類型，必須對症下藥，施以相當的訊息因子，才能夠啟動組織再生的過程。

訊息因子指的是什麼呢？比方說像是能幫助細胞黏貼在支架上的貼附因子，或是促進細胞正常生長的生長因子，以及能夠引導幹細胞分化為想要的細胞分化因子等，通通都是屬於訊息因子的範疇。

然而，刺激組織器官再生的訊息因子並不局限於有形的分子，因為人體的細胞常置身於流場如血管之中，或必須承受相當的負荷如骨頭。因此，其他如機械應力或超音波等物理訊號，也會對細胞的增生與分化產生正面的作用。

研究各種訊息因子對於不同細胞類型的分化、生長、代謝所產生的影響，揭開訊息因子作用機制的神秘面紗，成為目前研究上的關鍵課題。藉由這方面的發展，勢必將組織工程的領域推向更深一層的技術高峰。

閃亮之星–組織工程

組織工程儼然成為21世紀的新星，在世界主要科技強國的發展中，受到了前所未有的重視。因為傳統的組織器官移植修復方式所費不貲，而且數量上又受到嚴重的限制，這對於眼前急需救助的病人而言，可謂雪上加霜。

組織工程這種再造人體器官的新生代醫學模式，解決了以上所言的難題，為醫療市場創造了無限的商機。更重要的是，在學術上開創了前所未有的新境界，讓人造器官的科學幻想付諸實現。

不過，組織工程是否能在未來大放光明，尚面臨資金投入的問題及社會大眾的考驗，最主要的關鍵則是法規及倫理上的規範。凡此，均有待組織工程技術研究者運用智慧來解決。

資料來源

《科學發展》2002年8月，356期，4 ~ 9頁

組織工程(8) 組織再生(3) 幹細胞(67) 科發月刊(5210)

組織工程：巧奪天工的人類智慧–組織工程

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