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新科学怪人:再生医学如何生出一颗心脏


2020-07-13


新科学怪人:再生医学如何生出一颗心脏

在《科学怪人》的故事中,科学怪人是由多具尸体各取一部份组合后并通电而成。现代再生医学没有那幺噁心,但也确实运用到已经死去的器官。Nature期刊报导,美国休士顿德克萨斯心脏研究中心的Doris Taylor,已经成功地把死亡的老鼠心脏,用组织工程学的方式重新改造成活的心脏,做为未来进行器官移植的基础。

複杂器官考验再生医学

用旧的器官重新改造成可以再次使用的器官并不是新闻,不过这些都是针对结构相对简单的器官。目前的再生医学可以做到一些中空的、构造简单的器官,例如气管与膀胱,只要在旧的「支架」上填入干细胞,等到干细胞自行分化并成长即可。但是对于像肾脏与肺脏等,难度立刻拉高,因为这些器官内的细胞种类动辄十几种,还得要生长在正确的位置上,还必须要接上血管组织供给他们养份,接下来,还要提高它们的「使用年限」,避免再次移植,对尤其是年轻的病患造成另一次危机。

心脏的再生又更複杂,因为它必须每天像帮浦一样打出7000公升的血液到身体各处,完全没有其他备用的器官可替代,它的四个心房心室以及各种瓣膜都是由数种特定的心肌细胞组成,难度比肾与肺还要高,另外心肌细胞的养分供应与废物排除也都仰赖完整的血管组织支援才行。像之前曾报导过的「缺肾脏,3D 印表机印一颗出来如何?」目前也还在初步阶段,列印出来的肾脏还无法使用,结构複杂的心脏就更不用说了。

用iPS细胞在支架上分化

过往我们也曾报导过「旧器官再利用?再生医学新突破」,里面提到的美国麻塞诸塞州总医院继培养老鼠肾脏后,现在也把实验範围扩展到心脏上。他们把一颗人类心脏接上帮浦,输入洗涤剂,把心脏的DNA、可溶性蛋白、血脂、糖等等物质都洗掉,只剩下一个胶原蛋白、细胞外基质等具有支撑作用的支架。

新科学怪人:再生医学如何生出一颗心脏(图左)经由注入洗涤剂将旧有细胞清除;(图中)只剩支架后,注入干细胞开始培养;(图右)透过外部环境模拟设备提供电子讯号,刺激细胞长成后确实能够跳动以输送血液。

接下来就是要决定选用哪些细胞以附着到支架上。一般研究者可能使用血管内皮细胞形成血管组织,再用肌肉祖细胞形成心脏各房室,不过数年前就在Taylor的团队接受此类实验训练的医院外科医师Harald Ott表示,他们採用iPS细胞来培养,因为iPS细胞採自病患本体,未来就不会有排斥的问题,iPS细胞也可自行分化成心脏所需的各种细胞。不过目前他们遇到两个挑战,Ott表示iPS必须生长出1亿到500亿个细胞才够用,同时长出来的细胞种类也需正确。

模拟人体环境协助生长

有趣的是,在细胞成长的期间,研究团队必须用类似心脏起搏器的环境模拟设备,让细胞处于一个模拟环境,就好像胎儿在母体中会感受到母亲的心跳一样,之后它们才能真正发挥作用。不过人体的状况变化快速,像心跳的频率或血压高低等如何模拟,也是研究人员面对的挑战。

Taylor与Ott在先前的实验中发现,培养老鼠的心肌细胞,大约8到10天后它就会自行跳动,大约能发挥2%成年老鼠心脏的输血功能,Taylor表示已经在老鼠跟更大的哺乳动物心脏实验获得25%的效果,虽然目前她们还未交出正式的报告。

新科学怪人:再生医学如何生出一颗心脏这是一个只有支架、等待注入干细胞的「心脏」(Photo Credit: OTT LAB/MASSACHUSETTS GENERAL HOSPITAL)真正难在移植后

最后的挑战是将器官移入体内。Ott的团队曾尝试移植经过改造的老鼠肺脏,结果显示它可以发挥作用,但问题是肺泡很快开始积水。另外一个案例是移植改造过的心脏,虽然老鼠的身体可以供给养分给心脏,但它并没有发挥正常心脏的作用。

这些实验到目前为止还没有真正成功,但对于心脏乃至于其他器官的再生医学研究带来启发,例如改造过的心脏瓣膜在体内不但能存活,还具有自我修复能力,或者未来也可以只移植部份器官,例如某几片肺叶。研究过程对心脏的立体架构也有进一步了解,往后也可以只进行局部修复,不一定要全部换掉。

延伸阅读

相关资料
Nature.com: Tissue engineering: How to build a heart



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