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組織工程:巧奪天工的人類智慧–組織工程

組織工程主要是致力於組織和器官的再生與形成,利用材料科學與生物科技的進步,在一個模仿組織與器官形狀的材料中種入細胞,使細胞依著模型來長成新的組織與器官,以供修復人體的組織缺損。
 
 
 
組織再生?真是太神奇了!

相信大家都看過《封神演義》這本家喻戶曉的神怪小說吧!其中有段關於小神童「哪吒」的故事是這麼說的:哪吒擊斃龍王三太子後,四海龍王前來復仇,哪吒為救父,遂自刎,削骨還父、剔肉還母而身亡,其師尊太乙真人以蓮花堆成哪吒身形,鍊成蓮花化身之軀以使哪吒復活。在21世紀的今日,各項科技突飛猛進,「蓮花化身」這種組織器官再生的說法,已不再只是出現在小說中遙不可及的神話。

器官再生在自然界中並非柏拉圖式的理想。壁虎遇到敵人襲擊時會自斷尾巴,趁敵人陶醉在香「尾」大餐時,一溜煙地跑掉,不過一段時間後,全新的尾巴又會自動長出來;另將海星砍成兩半丟入海中,海星不但不會死亡,且每一半都可長成獨立的個體,這種特性叫做「再生」。擁有這般器官再生的神奇功能,實在令人稱羨。近代科學家們憑藉著一股「臨淵羨魚,不如退而結網」的堅定信念,發揮「仿效自然」的巧思,重建受損的人體組織,這就是「組織工程」的主要精髓。

啥米是組織工程?

「組織工程」在2000年5月分美國《時代》(Time)雜誌中列為未來十大熱門工作的榜首,顯示這項技術正朝著蓬勃發展的前景邁進。簡單地說,組織工程主要是致力於組織和器官的再生與形成,利用材料科學與生物科技的進步,在一個模仿組織與器官形狀的材料中種入細胞,使細胞依著模型來長成新的組織與器官,以供修復人體的組織缺損。這項技術對於世界上許許多多因器官衰竭而亟待修復的患者來說,無疑是一大福音。

在認識什麼是「組織工程」之前,對於這項在科技學門中崛起的閃亮之星發展過程的了解,套句廣告詞:這是一定要的啦!

傳統上,外科醫生對於受損組織的處理,都是以手術重建的方式進行,也就是對患處直接作手術縫合或利用人體組織移植以達修復的目的。不過,二次大戰期間,由於科技知識爆炸,以及各學科間的相互整合,科學家提出了「仿效自然」的想法,希望以人工製造方式,創造出與人體正常器官相同的取代物。首先是使用人工物質如合成高分子等,作為取代物的人工器官與生醫材料,這一波風潮在1970年代達到高峰。漸漸地,科學家們發現,人工合成的物質若長久置放在人體內,會有慢性發炎等免疫排斥問題產生。於是開始醞釀出新一代的思維模式,嘗試結合人體組織移植與人工材料修復的優點,開啟了組織工程的新紀元。

早在1970年代末,麻省理工學院的優金貝爾(Eugene Bell)實驗室就成功地在體外培養出了皮膚、血管等組織。在1980年代麻省理工學院的羅伯藍格(Robert Langer)教授、哈佛醫學院的約瑟夫佛坎提(Joseph Vacanti)以及其弟查理斯佛坎提(Charles Vacanti)等人,又透過一系列的實驗證實:利用可降解的高分子材料結合細胞的植入,可以培養出新生的軟骨組織。有了這些傑出科學家的細心投入,1990年代組織工程原理的雛形遂大致建立,成為一顆崛起的新星。

如果把組織工程看作是一家人體組織器官的建設公司,那麼說起公司職員的身分背景,那可就琳琅滿目了:化學工程師、材料學家、生化學家、細胞學家、生理學家、分子生物學家、臨床醫學家、外科醫師、病理學家等等。可見組織工程並非是一項「獨門」的學科,乃是集各家所長之大成。

秘密武器!

實現人體組織器官再造的夢想,支架、細胞及訊息因子,是構成組織工程不可或缺的三大要素。打個較容易理解的比方的話,支架就像是果農種植葡萄時所搭起的棚架,細胞就是種下的種子,而生長因子就好比所施予的肥料。

想要針對受損組織進行修復動作或實現人造器官的美夢,需要這三大要素之間巧妙的配合,針對人體中不同部位的組織需要,研擬出適合組織器官再生的策略,以達成組織工程造福人群的目的。

支架–細胞的家 想要讓細胞長成我們所預期的器官構造,如果缺乏細胞的立足點,也就是作為細胞生長溫床的「支架」,是一件不可能的任務。組織工程利用特殊的生物高分子材料建構出三度空間的立體框架,讓植入的細胞可以在其中生長並增生。支架的功能不僅僅當作細胞生長的框架結構,更可以進一步地控制引導細胞朝特定的方向生長、分化。

適合作為組織工程的支架材料,基本上必須符合幾個條件:在人體內可以被降解,因為支架結構在體內存在時間過久,反而會有礙組織的再生,也就是說器官長成後所使用的支架材料必須會消失且可被人體吸收;良好的生物相容性,即沒有嚴重的免疫排斥問題;材料表面適合細胞的生長;以及具備相當的物理強度。

不過,無論所使用的材料為何,它們皆具有兩個共通的特性。首先是可塑性,可按照不同的組織器官構造,塑造出我們所想要的形態;其次是支架內部的孔洞結構,它就像是一間間的小房間,細胞植入後,如同攀岩一般先貼附在房間的牆壁上,然後慢慢地往房間中央伸展,最後細胞及其製造出的細胞外基質形成組織而占滿了整個房間,細胞彼此間穿牆而過形成聯合的整體,長成我們所要的器官。

細胞–組織再生的關鍵 組織工程的最終目的是讓細胞在體外生長分化為功能性的組織器官,採集少量的自體細胞加以培養, 在體外大規模地增殖,再運用於體內器官的修復上。因此細胞是組織工程策略能否奏效的重要功臣。細 胞的類型大致上可分為兩種:已分化完全的「成熟細胞」,以及具有分化成其他細胞能力的「幹細胞」。

成熟細胞的來源主要分為自體及異體細胞,當然,自體細胞自然是最為理想的細胞來源,因為不會產生免疫排斥的問題。雖然近幾十年間,體外培養細胞的技術已有令人矚目的進展,但仍有許多關鍵性的難題尚未突破。例如,如何有效地促進成熟細胞在體外的增生能力,以及細胞取得來源受限等問題,將是組織工程應用發展的一大絆腳石。

因此,最近三年間興起了一股研究「幹細胞」的熱潮,為組織工程的前景帶來一線曙光。藉由誘導幹細胞分化的研究,可以解決細胞來源不足的問題。且幹細胞具有在體外無限制增殖的特點,將解決組織工程的「細胞荒」問題。雖然目前對於幹細胞的研究尚未成熟,且針對「胚胎幹細胞」方面的研究因牽涉到倫理的問題而反對聲浪不斷。不過,由於許多科學家的投入,再加上幹細胞不僅只是存在於胚胎當中,在成熟的人體內依然可發現其蹤影,比方說骨髓中就含有造血幹細胞與間葉幹細胞,遂使得此一領域的研究正迅速地發展,相信在不久的將來,會有類似「細胞銀行」的機構出現,專門提供各式各樣的人體細胞,或培育客戶的幹細胞使其分化成為所需細胞,作為組織器官修復的重要組件。

訊息因子–所羅門之鑰 如果單單只靠支架及細胞的配合,要想完成組織再生的艱鉅任務,可說是「萬事具備,只欠東風」。唯有合適的訊息因子加入,才能誘導細胞在支架材料上正確地分化、遷移及生長,最後才有功能性正常的組織器官誕生。針對不同的細胞類型,必須對症下藥,施以相當的訊息因子,才能夠啟動組織再生的過程。

訊息因子指的是什麼呢?比方說像是能幫助細胞黏貼在支架上的貼附因子,或是促進細胞正常生長的生長因子,以及能夠引導幹細胞分化為想要的細胞分化因子等,通通都是屬於訊息因子的範疇。

然而,刺激組織器官再生的訊息因子並不局限於有形的分子,因為人體的細胞常置身於流場如血管之中,或必須承受相當的負荷如骨頭。因此,其他如機械應力或超音波等物理訊號,也會對細胞的增生與分化產生正面的作用。

研究各種訊息因子對於不同細胞類型的分化、生長、代謝所產生的影響,揭開訊息因子作用機制的神秘面紗,成為目前研究上的關鍵課題。藉由這方面的發展,勢必將組織工程的領域推向更深一層的技術高峰。

閃亮之星–組織工程

組織工程儼然成為21世紀的新星,在世界主要科技強國的發展中,受到了前所未有的重視。因為傳統的組織器官移植修復方式所費不貲,而且數量上又受到嚴重的限制,這對於眼前急需救助的病人而言,可謂雪上加霜。

組織工程這種再造人體器官的新生代醫學模式,解決了以上所言的難題,為醫療市場創造了無限的商機。更重要的是,在學術上開創了前所未有的新境界,讓人造器官的科學幻想付諸實現。

不過,組織工程是否能在未來大放光明,尚面臨資金投入的問題及社會大眾的考驗,最主要的關鍵則是法規及倫理上的規範。凡此,均有待組織工程技術研究者運用智慧來解決。
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