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組織工程:肝衰竭病人的春天–人工肝臟

91/09/05 瀏覽次數 15147
一件設計精良的儀器,如果經年累月地使用,一旦零件老舊了,就需要更換新的零件。同樣地,如果我們身上的器官,因為疾病、老化或其他不明的原因而衰竭,器官移植往往是唯一的治療辦法。但是,由於器官捐贈來源的短缺,有許多病人甚至在等待適合的移植器官中死亡。所以,研發能夠暫時或完全取代原有器官功能的人工器官,以延長病人的性命,是科學家所必須面臨的挑戰及使命。

近年來,由於生物技術的成熟,組織工程成為熱門的生技領域之一,是利用生物技術製造人工器官供治療人類疾病的一門新興學科。隨著組織工程科技的進步,一些人工器官,如人工心臟、人工皮膚、人工軟骨,已開始進入臨床醫學應用階段。

「人工肝臟」也是利用組織工程技術製造一臺取代人體肝臟功能的機器,我們將敘述它的設計與發展,以及在臨床上實際應用的情形。

肝臟的功能與移植

肝臟是位於右上腹部的腺體、也是人體中最重要的器官之一,負責體內的代謝、解毒、或合成等功能。所以,一旦肝功能衰竭,身體內的各大重要功能也會隨著失效。

根據美國肝臟協會1996年的統計,肝衰竭是美國第七大死亡原因,每年有52,000人因肝臟疾病死亡,有25萬人因肝臟疾病入院,平均一年花費在治療肝臟疾病的醫療費用高達90億美元。

在臺灣,根據衛生署統計,慢性肝病及肝硬化排名十大死亡原因的第六位,因肝臟疾病死亡的 人數占總死亡人數的十分 之一。

「肝衰竭」是造成許多肝病患者死亡的原因,對於多數肝衰竭的病患而言,唯一有效的治療途徑是肝臟移植。但是肝臟的移植有許多條件的限制,例如,肝病患若有轉移性的癌症、酒精中毒或相互的感染等特殊情況,就無法做肝臟移植。另外即使適宜做肝臟移植,但由於器官捐贈的短缺,仍有很多病患因為等不到移植所需的肝臟而死亡。所以,人工肝臟在臨床醫療上確實扮演重要的角色。

目前,歐美等先進國家致力於研發人工肝臟,尤其是生物性人工肝臟,可暫時提供肝臟衰竭病人維持最基本的肝功能–合成血液中重要的凝血因子、分解人體代謝後的毒素等,作為進行肝臟移植手術前的橋梁性治療,以維持並延長病人的生命,直到有可供移植的肝臟。

生物性人工肝臟

生物性人工肝臟於1987年首次應用在臨床治療上,它是利用冷凍的兔肝細胞,使其存活在一個充填許多中空纖維管捲筒的內腔裏,藉由供給營養及生長要素來維持包埋在其內的肝細胞活性和功能。同時,病人的血液在此裝置中會先通過一個分離血漿的儲存處,將血球與血漿分離,然後讓血漿通過一個活性碳過濾器後,進入充填中空纖維管的捲筒中。血液中的毒素即可經由其中空纖維薄膜,滲入內腔而被包埋在內腔的肝細胞所代謝,被解毒後的代謝物則滲出至腔內–內腔與管壁的空隙,然後流回病人體內。因為中空纖維薄膜孔隙很小,所以可排除病人的免疫血球素進入內腔與包埋的肝細胞接觸,造成排斥現象,而破壞肝細胞。中空纖維膜只允許血清蛋白和小分子化合物藉由滲透進入內腔,補充肝細胞所需的生長因子。

一個治療儀器如生物人工肝臟必須堅固而有效,所以製造上要經過很多步驟以確保品質。由於異種生產肝細胞的應用,所以作為人工肝臟肝細胞來源的動物必須是健康的,並且對實驗動物的飼養及環境的品管要良好。另外,取得肝細胞及生物反應器的過程及技術必須符合優良實驗室規範(GLP)或優良藥品製造標準(GMP)的條件。同時,生物人工肝臟的反應器及由製造廠運到醫院需有嚴格的耐儲時間。而治療後的病患,也要加以監控,以便追蹤任何種間雜交所可能帶來的病毒傳染。

人工肝臟和洗腎機的比較

人工肝臟的設計與洗腎機的原理有部分的相似。腎臟的主要功能有:排泄毒素、平衡酸鹼值、電解質及水分、分泌紅血球生成素。

每一個正常的腎臟各約有一百萬個腎元,負責清除人體每天製造的廢棄物。所以,如果腎臟因為疾病、老化、藥物毒性,或其他不明原因造成腎衰竭,就必須洗腎。此外,醫師也會根據意識、呼吸等臨床狀況以及檢驗報告來評估何時開始進行血液透析。洗腎就是把短暫離開身體的血液,利用透析的原理,將尿毒素排出體外的一種方法。

在洗腎機內,利用半透膜將病人血液與透析液隔開,而且因為透析液內尿毒素濃度較低,所以,根據擴散理論,血液中的尿毒素會跑到透析液中,而透析液不斷地把擴散過來的尿毒素帶走,如此周而復始,達到淨化血液的目的。

人工肝臟與洗腎機都有將血液與灌流液或透析液隔開的膜,並且同樣是藉由擴散原理將毒素帶走。不同的是,人工肝臟的生物反應器內,還有包埋的肝細胞在進行合成與分解蛋白質的作用。所以,如果以異種肝細胞作為人工肝臟的細胞來源,就必須考量長期使用所可能衍生的問題,例如,跨物種的感染,還有排斥性等。如此一來,使用人工肝臟的成本就遠比洗腎機高。因此,現階段的人工肝臟還無法像洗腎機一樣廣泛地使用在臨床醫療上。

人工肝臟的未來發展

根據2002年2月分美國《科學》(Science)雜誌所發表的文章指出,設計一個成年人使用的人工肝臟需要至少1010個肝細胞。所以,細胞的來源及品質的維持是發展新一代人工肝臟的關鍵。目前,人工肝臟主要的細胞來源是從其他物種動物分離出來的肝細胞,例如豬肝細胞。但是,使用異種肝細胞必須冒跨物種感染的風險,所以基於安全上的考量,科學家嘗試藉由生物技術來解決問題。例如,使用由人類組織、骨髓或胚胎取得的幹細胞,以細胞培養技術增加幹細胞的數量,並且誘發其分化為肝細胞,作為人工肝臟的細胞來源;或是利用基因轉殖技術延長培養的人類肝細胞壽命。目前,這些技術還在實驗階段。

隨著生物技術的進步,目前已有許多人工器官成功地應用在臨床醫療上。所以,我們期盼科學家發明的腳步能夠趕上疾病被發現的速度。想像一下,或許組織工程在不久的將來可以實現這樣的夢想:有一天,我們能夠成立一個「人工器官銀行」,每個人在健康的時候將細胞儲存在該銀行,一旦需要,就有為你量身定作的人工器官。所以,病患不必再等待移植所需要的器官,也不會有病患在等待適當器官移植的過程中喪失寶貴的生命。

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