組織工程：肝衰竭病人的春天–人工肝臟
91/09/05
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林瑞芬｜
明志技術學院化學工程學系
蕭長春｜
長庚大學臨床醫學研究所
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。
