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組織工程:幫細胞蓋一個家–組織工程用支架

91/09/05 瀏覽次數 8278
「身體若好,人生是彩色的;身體不好,人生是黑白的」,每個人都希望擁有健康的身體。但正如所謂的「天有不測風雲,人有旦夕禍福」,人的一生難免會生病或遭受意外傷害。幸好,隨著醫藥的發展,許多原本被視為不治或難治之症,漸漸的可以治癒。

但某些患者由於一些先天或後天的因素,造成其器官組織的缺陷或功能失常。若這些器官組織無法自身修復,則必須依靠自體移植或他人捐贈組織或器官,才能恢復原有的功能。也因此有人建立了資訊連絡網,希望能夠幫助需要器官移植的患者,找尋適合他們的器官或組織。

但試想,我們如果能像培養花草樹木一般,利用適當的種子,提供良好的環境、足夠的營養,我們是否也可以培養出所需要的組織或器官,然後再將其移植入人體,以期回復病人的健康呢?事實上,已經有許多醫生、工程師及科學家正致力於這方面的研究,也就是本文要介紹的新興領域–組織工程。

為何需要一個家?

我們知道,人類是由一個胚胎細胞不斷地分裂、成長、分化而成,共同功能的細胞組成組織,不同群的組織形成有特殊功能且結構複雜的器官,而器官連接形成系統(如消化系統),各種系統的整合運作使生理機能發揮效果,如此構成一個完整的身體。

組織工程是依循人體組織生長發育的模式,提供近似體內的生長環境和營養給未完全分化的細胞如幹細胞,使這些細胞分裂、成長、及分化成具有特定功能的細胞,進而繁衍成所需的組織,甚至培養不同功能的組織,以形成具特殊功能的器官,解決缺乏移植組織或器官的問題。若細胞是來自被移植者,則所培養的組織尚可避免免疫系統的排斥問題。

組織再生的關鍵點之一是,細胞要在何處生長及分化成我們所需的組織?一如胚胎細胞在媽媽的肚子裡健康地成長茁壯,我們也必須提供一個舒適、安全的居住環境,讓細胞能在裡面成長,此一結構就是在組織工程中所使用的「支架」(scaffold)。我們可以把支架想像成一個房子,或是一個溫室,可以將其放置在實驗室或是體內,讓細胞在支架中繁殖分化,形成組織,再移植進入患者身體,或者直接在患者體內繁殖分化成所需的組織。若此一支架的外型,尺寸與待修補的組織一樣,則所培養出的組織將很適合修補缺陷組織,這也是組織工程重要的一環。

但是,怎樣才是細胞理想甜蜜的家呢?

理想的家

想想心目中一個舒適又安全的家是什麼樣子的吧!

家的必要條件是要有堅固的梁柱,抵擋自然環境的威脅;有舒適的居家環境,可以休憩;有足夠的水、電,以維持生活的基本機能;還有四通八達的格局,能夠來去自如。而我們要如何讓細胞也能享受到這樣子的環境呢?很顯然的是,支架也必須要:有足以承當植入環境的強度;需具備生物相容性,並有合適的表面性質,以供細胞附著; 可以提供足夠的營養來源及成長刺激;有相互連接的孔隙,使細胞得以繁衍生長;具有生物可分解的性質及適當的分解速率,以配合細胞的繁殖速率。

依據上述的要求,我們大概可以想像出,支架會有許多彼此連接的孔洞,就好像海綿的形狀一樣,以便細胞和營養液流通。舉例來說,置放於近海海底處的多孔性人工魚礁,其表面附著許多藻類或貝殼類,浮游物或微生物隨著海水進出魚礁,供給藻類或貝殼類食物。而支架就是類似這種情況,細胞附著在支架表面,吸取從孔洞流入的養分。而這些孔洞的大小,必須要能讓細胞通過。

因為要讓細胞附著在支架上繁衍成長,所以支架的材料必須是沒有毒性,具有生物相容性,才不會傷害細胞及患者。而支架的表面需適合細胞附著,才能使細胞「安居樂業」。再者,支架若能在細胞繁殖的期間,同時分解成對人體無害的物質,如此,就能生成合乎所需的組織。

所以,支架必須要使用可降解的生醫材料,例如聚乳酸、聚己內酯或是不同比例的聚乳酸和聚甘醇酸的共聚合物等生醫高分子,或者是膠原蛋白、幾丁質等天然聚合物,但材料的選用仍須考慮應用範圍及在體內分解的速度。

又因為支架終究將移植入體內,所以必須具備一定的強度,不然整個結構可能受體內各種外力的影響而垮掉。所以,在考慮孔洞大小的時候,不可忽略整個結構的強度。

偉大建築師之路

在決定了多孔性的支架架構後,接下來就是如何蓋好符合此一架構的漂亮房子啦!「羅馬不是一天造成的」,更何況我們的細胞先生要求滿高的,只好想盡一切辦法,為他蓋個舒適的家啦!又因為孔洞的大小只有0.05~0.2公釐這麼丁點大,而且需要互通連接,所以我們必須利用一些特殊的方法,才能蓋出好房子。這也是身為一個支架建築師的最大挑戰。

我們可以利用鹽析法,這是將生醫材料先用溶劑溶解,再混入水溶性的填充物如氯化鈉,放置於培養皿中,待溶劑揮發之後,形成一塊狀的混合物,再將此混合物浸入水中兩天,溶解去除填充物。這樣原本填充物所占據的空間就變成了多孔性結構,而填充物的顆粒大小和比例可用來控制孔洞的大小和比例。

若覺得還要混填充物很麻煩,那我們可以改用冷凍乾燥法。將生醫材料溶解之後,置入液態氮中急速冷凍三十分鐘,再抽真空進行冷凍乾燥兩天。如此,原本的溶劑會因真空乾燥的緣故而揮發,使原本所占有的空間變成孔洞。此法可以利用溶劑成分來控制孔洞的大小和比例。

那可不可以不要用有機溶劑呢?可以!熔積成形法即是另一選擇!方法是將生醫材料製成線材,此線材先經過一加熱管加熱到其熔點附近,再由噴嘴擠出。因為擠出之後,材料會很快冷卻形成固體,所以利用控制噴嘴位置的方式,在孔洞處不擠出材料,而在其他支柱處則擠出材料,如此即可產生所希望的支架結構。

如果怕溫度太高?那我們還有纖維聯結法、薄膜積層法、氣體發泡法、相轉移法、高分子/陶瓷複合發泡法等等。這麼多的方法正在一一實驗中,所盼望的就是為細胞蓋一個舒適的家,讓細胞可以安祥地生長繁衍!

歡迎光臨!

支架建好了,當然要請主角上場啦!為避免免疫系統的排斥,一般使用需要移植組織者的細胞,將細胞以滴入或注射的方式,植入支架中,細胞就可以附著在支架表面上。細胞所需的營養可藉由孔洞輸送至細胞處,而細胞也可經由外界的各種刺激,加速成長與布滿整個支架,形成我們所需要的組織。而支架周遭的微血管亦可以侵入支架內,以確保養分的供給。

再者,由於使用可降解的生醫材料,因此整個支架結構會慢慢地分解,依據材料特性,可能幾個月到幾年不等。若配合細胞的繁殖速率,可使新生成的細胞填補分解掉的支架部分。如此一來,等支架完全分解成無害的物質之後,原本支架所占有的體積也被細胞所填補,所培養的組織如同所期望的組織,所具備的功能也一樣。相信了吧!組織工程的魔法是可以使患者原本所缺少的組織,獲得再生。

用適當的材料和製造方式可以製成各種的支架,而適當的支架使得組織工程技術有了最佳的基石。再配合選用正確的細胞,提供足夠的營養,給予適當的刺激,並放置於和原本相似的環境中,終將使得細胞能逐漸分化成所希望的組織,使患者不再需要苦苦等待合適的捐贈者,因為最合適的移植組織就是由自己的細胞所培養出來的組織。
組織工程將是21世紀耀眼的奇蹟,黑白的人生將因而變成彩色的,讓每個人都能自豪地大聲說道:「我擁有健康的身體!」

註:所有照片均由中興化工生物材料研究室提供


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