人體幾個大型器官中,肝臟受創後有驚人的恢復能力。如果肝臟因事故受損或在手術過程中失去一大塊,只要有1/4以上完整且無傷疤,它就能重新長回原來大小並恢復功能。可惜身體其他部位沒有這種自我再生的能力。蠑螈的尾巴可以再生,但人類一旦斷了腿或者因為阿茲海默症而失去部份腦組織,就無法恢復原狀。要達成這個目標,人體需要額外的幫助,這也是再生醫學這個新興的研究領域所希望達成的。

人體幾個大型器官中,肝臟受創後有驚人的恢復能力。如果肝臟因事故受損或在手術過程中失去一大塊,只要有1/4以上完整且無傷疤,它就能重新長回原來大小 並恢復功能。可惜身體其他部位沒有這種自我再生的能力。蠑螈的尾巴可以再生,但人類一旦斷了腿或者因為阿茲海默症而失去部份腦組織,就無法恢復原狀。要達 成這個目標,人體需要額外的幫助,這也是再生醫學這個新興的研究領域所希望達成的。

幹細胞是能產生多種組織的前驅細胞,對再生能力極為重要。科學家正在學習如何創造混合了糖分子、蛋白質和纖維的複雜環境,讓幹細胞得以發展成組織。下面的報導顯示研究人員在更換壞損心臟組織和重建肌肉方面,已取得很大的進展,他們也開始研究如何培育新的神經細胞。這些尖端研究有些可能會在幾年內就成為臨床療法;有的可能需要幾十年的努力,當然最後有的也可能失敗。這裡列出幾種最有潛力的療法。

重點提要

■新興的再生醫學領域,可能會澈底改變心臟疾病和神經退化性疾病的治療方法,不但可以解決捐贈器官不足的問題,還能讓受損肌肉和肌腱組織等完全復原。
■研究人員發現,關鍵是給予身體由各種蛋白質、纖維或細胞複合成的啟動配方,或者額外補充大量原本存在於成年患者體內的半特化幹細胞,然後讓身體接手修復損傷。
■這些外來的協助工作能補足身體短缺的再生能力,讓身體再生特定類型的組織。這種自我療癒的療法已經幫助了一些心臟病患康復,也讓外科醫生能修復受傷的肌肉。

用糖培養的器官

要培養出能夠順利運作的大型器官,科學家必須想辦法替它們接上血管。

參加TED(科技、娛樂、設計)演講的觀眾已經習慣先進科技所帶來的驚奇,即使如此,2011年美國威克富瑞斯特大學再生醫學研究所的艾塔拉(Anthony Atala)的演講仍讓人覺得不可思議。觀眾在第一時間,並沒有看到舞台上艾塔拉背後有一堆發出嗡嗡聲的瓶子和管子正在進行著神秘的實驗。當演講進行到2/3時,鏡頭拉近到這個設備的內部噴頭,畫面中它來回移動,以極為精確的立體藍圖為本,把實驗室中培養的活細胞一層一層放置到中央平台上。這個過程稱為3D列印,和墨水列印類似,但在這裡使用的不是墨水,而是含有活細胞的液體。最後,艾塔拉的機器把人類細胞層層疊成與活體大小相同的腎臟,就像用3D印表機製作出咖啡機的塑膠零件。

這種直接且快速的器官製造方式,將造福10萬5000名仍在等待器官捐贈的美國人。但艾塔拉兩年前所示範的這種列印腎臟還不能移植,它缺少了兩項重要的元素:運送血液的血管和收集尿液的腎小管。缺少了這些內部管道,腎臟這類大型器官內部深處的細胞就無法獲得重要的養份和氧氣,也不能移除代謝廢物,很快就會死亡。在列印這些具有空洞的結構時,他試著在每層細胞的對應位置上留空,但這樣所產生的管道會塌陷,且接合處會因為血壓而破損。

由美國賓州大學和麻省理工學院所組成的研究團隊則針對這個問題提供了一種「甜美的」解決方式。他們不同時列印腎臟和內部血管,而是先用可溶解的糖列印出血管和腎小管模型,再讓細胞附著其上,接著洗去這個糖製的模型,留下足以承受身體不同血壓的堅固管路。

來自甜點的靈感

這個想法來自計畫的主要研究者、賓州大學的博士後研究員米勒(Jordan Miller),由兩個階段發展出來。首先,他在參觀人體世界展中的人體標本與器官時,發現標本製作者在製作大型器官中如蕾絲般細緻的血管結構時,會先在血管內灌注矽酮,再把(外面的)器官組織溶解。

米勒因此推測,製造人工的內部血管模型或許是可行的,但必需用可溶解的化學物質來製造,矽酮對活體細胞來說具有毒性。這個問題在他到一間高檔餐廳吃到以糖製成的精緻網狀裝飾甜點時,得到解答:何不用糖來製造器官內部的血管和腔室模型,用水就可以沖洗掉。

米勒和同事修改了一台代碼源公開的3D印表機Rep-Rap,利用它來列印仔細調配過比例的糖絲混合物,直徑從1毫米到100微米。他們利用這些糖絲打造了完美的血管網骨架,並把可能與生物相容的聚合物附於其上,避免其快速溶解。接著,科學家把整個血管骨架外包上細胞外間質(詳見第42頁的〈超強黏膠〉)以及能形成血管的內皮細胞。最後,科學家再用水把糖溶掉,留下由活細胞所組成的血管。

接下來就是細胞的工作了。就像在體內的細胞一樣,附著在骨架模型上的細胞開始生長,增強血管的結構,甚至在較大的血管周圍長出微血管。在美國賓州主持組織微製造實驗室的陳說:「我們讓細胞自行填入這些細緻的結構中,因此不需要完美的結構。」基本上,身體會接收這些已經發育接近完成的器官,並且進行微調,使它具有完整的功能。

目前陳、米勒等人製造了一批具有糖化血管模型的肝臟組織,並且植入齧齒動物體內,觀察這些組織在身體中與血管系統整合的情況。這種薄片組織無法取代整個器官,但可觀察肝細胞、腎細胞或胰細胞如何在完整的血管網絡下發展,有助於將來3D列印出大型器官。

重建腦內森林

科學家希望有一天能夠藉由重建失落的細胞,來治療大腦的神經退化性疾病。

在人類的大腦中,長著分支的神經元彼此環繞並堆疊著,就像茂密森林裡的樹木一般。以往,科學家認為神經元在受傷或病變後將衰弱或死亡,並永遠消失,因為大腦無法產生新的細胞來取代。然而到了1990年代,大多數神經科學家承認,成人的腦中蘊藏了一些幹細胞,可轉化為成熟的神經元。

科學家仍試著確定這些幹細胞如何轉化成神經元,以及這些分化後的細胞能否成功存活下來,並加入大腦原有的迴路。一些證據顯示,大腦的神經幹細胞以最節制的方式協助自癒,以中風為例,僅取代因缺氧而死的小部份細胞。但這種最小的自癒方式並無法補充因中風、腦部創傷和神經退化性病變(例如帕金森氏症和阿茲海默症)而損失的數百萬個神經元。

20年前,神經外科醫生為了開發神經有限的再生能力,曾試著把胎兒腦組織切片移植到病變區域,希望以新換舊。臨床試驗的結果令人失望,但有些科學家現在認為他們已經找出讓這種療法更安全且更可靠的方法。現在不用胎兒組織,而是在實驗室中利用幹細胞培養出數百萬個年輕神經元,然後把這些初生的腦細胞注射到病人的腦中。不過有少數人預期這種療法只可施行個10~20年,初步的研究結果已經預示了結局……。

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