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走調的粉彩青春派對(六):再生醫學在植皮技術的應用

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對於大範圍的三度燒傷患者,如何解決很有限的供皮區問題?1975年J. G. Rheinwald和H. Green成功研發體外培養角質細胞和擴增的技術,以無血清培養基中添加氨基酸、維生素、生長因子、激素、微量元素和抗氧化劑等,一定程度地促進細胞增殖、延緩角質細胞衰老,並使之在體外多倍擴增。

這種利用生物活性物質,以體外培養的方法,再造或修復組織或器官的技術,稱為組織工程學或再生醫學。醫學界稱再生醫學為治療醫學與預防醫學之外的第3類醫學,其主要應用是滿足個人需求的客製化醫療、組織工程、幹細胞和醫療美容等。

基於體外培養角質細胞擴增技術,過程困難而耗時,加上生物醫學科技發達造成再生醫學的進展,於是科學家研發出噴塗培養單角化細胞(spraying cultured single keratinocytes, CSK)技術。不同於前述的傳統方法,利用切下的皮片培養表皮組織的自體移植(cultured epidermal autograft, CEA)。

2011年美國J. Gerlach教授和澳洲F. Wood醫師合作研發噴霧植皮(Spray-On Skin Cells),將傷患自身的一小塊健康皮膚放入有酵素的溶液中,皮膚的真皮-表皮交界處會分解,再以手術刮下表皮和真皮層後,令其組織細胞等懸浮混合於溶液中。再使用注射器或皮膚細胞噴槍(skin-cell spray gun,2008年研發)吸取細胞液直接噴於傷口上,使傷口痊癒。手術只需70~90分鐘,約2週復原。但是噴霧植皮只能幫助表皮細胞分裂再生,對於3度燒燙傷患者,仍須配合傳統植皮和皮瓣移植。

英國醫療設備公司(Avita Medical Limited)應用自體皮膚角質細胞移植(transplantation of autologous cultured keratinocytes)原理,研發出自體皮膚細胞噴霧移植(autologous skin cell spray-transplantation)技術-ReCell Spray,先取出傷患約郵票般大小、深及真皮層的健康皮膚組織,利用胰蛋白酶,經實驗室優化後呈最佳狀態,約半小時後萃取出懸浮液,內含有角質細胞-促進上皮新生、纖維母細胞-合成胞外基質和膠原蛋白、蘭格罕式細胞-免疫調控和黑色素細胞-製造黑色素;以及細胞激素、伴護蛋白、生長因子-促進微血管新生和成纖維細胞增生、構成肉芽組織生長進而促使表皮再生。其優點是減少取皮的次數、擴大範圍使用於供皮區面積的80 倍傷口、和傷口復原較快速。

2014 年James Dyson Awards國際發明獎由加拿大多倫多大學的兩位博士生Arianna McAllister和Lian Leng改革3D列印技術發明生物列印機的技術和材料,製造出PrintAlive產品,列印出接近真實皮膚的人工皮。材料是以患者本身的角質細胞和纖維母細胞作為線材,經實驗室分析、複製後,和作為支架的生物聚合物混和,合成活性凝膠(active gel)。角質細胞是皮膚表皮層最外層的細胞,纖維母細胞是真皮層結締組織中最多的細胞,藉此模擬創建皮膚的表皮層和真皮層。使用技術不是傳統的以層層疊印方式製皮,利用微流體匣片技術(microfluidic cartridge-based technology),墨匣盒內有兩個微小分隔匣道,裡面分別注入表皮細胞液和真皮細胞液,印刷時,兩種液體液體會融合成膠狀,模擬組織的階層式架構(hierarchical architectures),精確列印出人工皮層的厚度、細胞的組成和立體排列構造,彷彿有活性的自體皮層繃帶,非常適合燒燙傷口復原。

PrintAlive的優點有:(1)活性凝膠可以短時間快速大量製造,不需數週時間培養。(2)使用患者自體細胞可降低排斥的風險。(3)減少所需的取皮細胞量約 75%,因為精確快速的3D列印技術,可精準有效分配原料,集中於傷口較深處,而非均匀地填充。甚至希望將來技術突破能列印出有毛囊和汗腺的皮膚層。

為有效治療重度燒燙傷患者,科學家研究幹細胞噴霧(stem cells spray)。幹細胞療法是目前最有效的細胞療法(cell therapy),細胞療法是將自體或同種異體的細胞,透過局部傳送或組織融合移植,以恢復缺陷或受傷組織的功能或活力。所謂幹細胞是具有分裂增生與分化能力的細胞,依分化能力可分為全能分化性、超多能分化性、多能分化性、寡能分化性4種。依發育過程可分為胚胎幹細胞和成體幹細胞。成體幹細胞數量少、幾乎都呈休止狀態,須被活化才能分裂和分化。幹細胞噴霧取自傷患自體的真皮的皮膚幹細胞,又分為間質性、造血性和神經性幹細胞。另一來源是取自傷患骨髓腔中的骨髓液,其中有1%是造血幹細胞,可分化出血液細胞;其中有0.001% ~ 0.01%是間質幹細胞,利用特殊的技術培養後可分化成骨骼、軟骨、肌肉、血管和脂肪等。

2012年獲諾貝爾獎日本山中伸彌(Shinya Yamanaka)教授,利用已分化的成體皮膚纖維母細胞引入4種轉錄因子後,重新編程為具有超多能分化性幹細胞,又稱誘導式超多能幹細胞,將來能夠分化產生所有類型的細胞。藉由自體的成體皮膚細胞培養出幹細胞,可解決幹細胞來源的爭議與異體植皮的排斥問題。(本文由科技部補助「學習在雲端-揭開科學與科技的神秘面紗」執行團隊撰稿)

責任編輯:盧妍竹
審校:張惠博
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