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神奇的幹細胞：當工程師遇見幹細胞

96/06/06 14963

徐善慧｜中興大學化學工程學系

再生醫學的出現

上個世紀後期，醫學界有一種新的觀念產生，因為它有別於現存於醫學界的「治療醫學」與「預防醫學」兩種概念，因此號稱為第3類醫學。這個第3類醫學，就是「再生醫學」（regenerative medicine）。顧名思義，再生這兩個字指的是讓已經失去作用的器官或組織重新生長出來。引起廣泛重視與討論的「再生醫學」，可以大致分為兩個部分：第1個部分是「幹細胞療法」，利用多才多藝的幹細胞來補充因為疾病或受傷而無法工作的細胞；第2個部分是「組織工程」。

「組織工程」中的工程二字，與「基因工程」一詞中的工程二字相同，指的是殫思極慮地去設計以強化特殊功能。「組織工程」不僅是利用細胞來達到再生的功能，更利用活體取出的細胞，進一步結合適當的可分解材料或其他生物分子，再生出新的組織，以取代無法工作的組織。雖然在使用的策略上有所不同，「再生醫學」中的「幹細胞療法」與「組織工程」是同等重要的。

這一期的《科學發展》月刊特別製作了「幹細胞」的專題報導，而「組織工程」專題報導曾經在2002年8月的《科學發展》月刊中介紹過。讀者若有興趣，不妨找出來重新複習一番。

工程師與細胞的接觸

在「組織工程」中，是把細胞與適當的可分解材料一同培養而產生再生組織。一般是把可分解材料先加工成為組織的形狀，有許多的孔洞，再像播種一樣把細胞灑進去。因此，可分解材料就叫做「支架」材料，就像建築時的鷹架一樣。也因為這樣，工程師與細胞有了第1類的接觸。

舉個例子，若有一位小耳症的病人想要重建缺陷的耳朵，這時可以用可分解材料加工做成這位病人正常耳朵的樣子（就是耳朵「支架」），然後在病人的耳朵上挖個幾乎看不見的小傷口，取出一點耳朵軟骨細胞，在體外複製大量的軟骨細胞做為種子，再播種回到耳朵「支架」中。

種到耳朵「支架」中的軟骨細胞若在體外有合適的環境，經過一段時間（例如一、兩個月）就會長出真正的耳朵軟骨，這時再把長出來的再生組織移回到病人的身上。這種建構耳朵的方式，在可預期的未來將可實現。

在這個過程中，工程師能為細胞做些什麼事呢？首先，材料工程師／高分子科學家必須先對承載細胞的「支架」材料做出完美的設計，讓這些細胞能高高興興地在「支架」材料上面成家立業。例如，「支架」材料上孔洞的大小得讓細胞播種得進去，也才能進一步複製及生長。此外，「支架」材料在細胞成家立業、生長出真正的組織後，必須功成身退而分解掉。這個過程若控制不當，細胞就會拒絕工作，組織再生就無法成功。

另一方面，由於「支架」材料上面還沒有血管幫細胞運送營養與排除廢物，因此化學工程師／機械工程師這時要介入幫忙。化學工程師要設計與身體情況相仿的動態流體系統，例如利用外在流場等，促進細胞在「支架」材料中營養的進入與廢物的排除。機械工程師要計算出動態系統（如流場）中是否具有能促進細胞功能健全的合適力場，還要進行良好的支架外觀設計與製造等工作。這些都會使得細胞與「支架」材料共同培養，長出組織的過程更加順利。

由於「支架」材料在組織再生出來後是會分解掉的，因此有人認為工程師在組織工程中所扮演的角色只是個配角，但即使是配角，也絕對是最佳的配角。

工程師與幹細胞的邂逅

回到「再生醫學」中的兩大部分，「幹細胞療法」與「組織工程」，這兩大部分的結合，促使工程師與幹細胞有了第2類接觸。

這時的組織工程「支架」材料上面可以改播種幹細胞，而且在很多情況下，發現幹細胞較原組織細胞具有更高的活性，會使再生出來的組織在功能上更接近原來想要的組織。但是在另一方面，幹細胞對於「支架」材料也更加挑剔，材料的選擇往往影響了幹細胞的分化與它們的命運。最近，有人更把奈米材料的理念引入「支架」材料的設計中，也就是希望利用奈米材料具有仿生（模擬生物體）的特性，來加強幹細胞的性質。這些研究也引發了許多結合奈米醫學與再生醫學的聯想。

同樣地，在「支架」材料與幹細胞共同培養系統中的力場與流場的設計，也會影響幹細胞的未來走向。生物機械學家推測，間葉系幹細胞雖然多才多藝、具有分化成不同組織細胞的特性，但若施以壓力比較容易變成軟骨，改用切力比較容易變成硬骨，施以拉力則容易變成韌帶等。這些知識的建立需要龐大的研究成果為基礎。

此外，在進行治療時，「幹細胞療法」中的幹細胞常是以注射入靜脈，或在受損的細胞附近直接注入的方式來進行，這些注入的幹細胞雖然具有找到受傷部分的細胞並予以修復的能力，但在很多時候仍會流失到其他地方。因此，「支架」材料提供了保護「幹細胞」的另一項作用。

幹細胞科技是一項新興科技，許多工程的觀念在幹細胞科技中扮演的角色，至今都還屬於初期研發階段，因此值得開拓。而且幹細胞是屬於較年輕的細胞，其多才多藝的本質，應該會使工程師與幹細胞的相遇，比起前面工程師與細胞的第1類接觸，激發出更多的火花。

資料來源

《科學發展》2007年6月，414期，40 ~ 42頁

組織工程(8) 科發月刊(5221)

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