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溫度敏感性材料於細胞療法與再生醫學之應用

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溫度敏感性材料於細胞療法與再生醫學之應用

生化生醫所 賴瑞陽助理教授

李雅婷研 究 生

  人體的組織器官易隨著年齡增長或疾病感染等因素而受到損害,嚴重時甚至可能導致生理機能異常。然而體內自我修復的能力極為有限,因此通常只能尋求醫療技術的幫助。組織或器官移植乃臨床上普遍用以治療疾病的方式,但礙於捐贈來源不足及免疫排斥等問題,再生醫學 ( regenerative medicine ) 的興起,迅速掀起一股熱潮,其目的即是希望藉由體外製備與體內移植組織工程產物,使患者之受損組織達到形態、結構與功能上的重建。

  再生醫學的發展初期,是以細胞注射療法 ( cell delivery therapy ) 為研究主軸。學者將各種來源的健康細胞懸浮液注入接受者受損部位,以替代壞死細胞,並發揮正常功能。臨床上成功的案例包括:藉由注射從夭折胎兒獲得的神經細胞治療帕金森氏症及亨丁頓舞蹈症等。但是,此方式具有下列缺點:注入的細胞在體內不易控制其大小、形狀與分佈,且細胞移植物經常呈現個別分散的群落聚集,難以正確貼附於欲修復的組織部位,或無法完全地與宿主組織融合,甚至可能造成其他併發症。

  提出組織工程 ( tissue engineering ) 概念,主要是利用生物可降解型材料建構一人工支架,用於體外培養細胞,並輔以訊息因子,製造仿生組織,再植入病患體內進行治療。此項研究在臨床上已有多次成功案例,且至今仍廣受學者熱烈探討與研究;然而此法也存在一些問題與限制。在立體結構的支架中,由於質傳障礙,營養物與代謝廢物均不易進出,因此,內部中心區域的細胞容易壞死,造成以支架所培養的細胞層無法達到天然組織厚度。再者,外來物的植入容易引起體內發炎與免疫反應。而隨著人工支架分解,原本受材料佔據的空間會被細胞分泌的細胞外基質 ( extracellular matrix ) 與纖維組織所填補取代。就硬組織 ( 如:骨頭 ) 工程而言,此原理確能獲致相當好之再生效果,因骨的組成主要為基質與少量細胞。但在細胞含量高的組織類別 ( 如:心或肝 ),支架降解過程往往導致組織纖維化等病理狀況產生,反而不利於培養的細胞進行組織再生。故以人工支架所開發的組織工程方法,並不適用於重建細胞密度高的組織部位。

  為克服組織工程固有的限制,近幾年來,學者已發展一種嶄新的模式:細胞層片組織工程(cell sheet engineering),主要針對細胞密度高的組織進行再生醫學應用。該技術乃採用溫度敏感型高分子材料作為細胞培養基質,藉由材料具有隨環境溫度變化而產生相轉變的特性,使細胞自發地脫離培養基質,而獲得一完整結構的生醫工程細胞層片。

  一般而言,細胞於體外培養過程會分泌細胞外基質,這些成分中含有大量的貼附蛋白,有助於細胞附著在培養基材表面。因此,當細胞擴增後,經由蛋白分解酵素的處理,可使細胞脫離培養界面。但此法不僅能裂解細胞外基質,同時也會破壞細胞膜的離子通道、生長因子受體及細胞與細胞間的連接,因而阻斷訊息傳遞,容易導致細胞失去分化能力,降低作為再生醫學之細胞的品質。  

  刺激應答型高分子 ( stimuli-responsive polymer ) 是指材料本身的結構或物理性質會隨外在環境刺激(如:溫度、酸鹼值、電場或磁場等),而發生轉變。其中,溫度敏感性高分子—聚異丙基丙烯醯胺 ( poly ( N-isopropylacrylamide ),PNIPAAm ) 具有相當靈敏的熱應答行為,且相轉變溫度 ( lower critical solution temperature)約為32ºC,介於室溫與體溫之間,因此,該材料目前在生醫工程領域已有相當廣泛且重要的應用,如:生化分離 ( bioseparation )、控制釋放 ( controlled release ) 及創傷修復 ( wound dressing ) 等。

  細胞層片組織工程的發展,即是為避免酵素分離方式對培養細胞的結構與功能影響。藉由表面改質技術,聚異丙基丙烯醯胺可經由共價鍵結接枝於培養皿表面。在37ºC的環境下,培養基材表面的聚異丙基丙烯醯胺高分子鏈,因疏水作用力造成結構相互糾結纏繞,而形成疏水性 ( hydrophobic ) 表面,能提供細胞貼附與生長;當溫度降至25ºC時,水分子可進入其結構內與高分子鏈上的親水性官能基形成氫鍵,使高分子鏈延展,轉變為親水性 ( hydrophilic ) 的表面,因而不利於細胞分泌的基質蛋白附著於培養皿,故促使細胞自發性地從培養基材脫附分離 ( detachment )。

  由於未經蛋白分解酵素處理,此種利用溫度調控的非侵入式系統,可獲得完整結構的細胞層片,並有效保留細胞外基質與細胞生長因子受體,且能維持正確細胞形態及分化特性。同時,這些細胞層片也能藉由轉載技術 ( transfer ),逐層堆疊為立體結構的組織,以達到接近天然組織層的厚度,或經由載體傳輸系統直接進行體內移植與治療。採用此方法,目前學者已成功體外培養及體內移植心肌細胞 ( cardiomyocyte )、肝細胞 ( hepatocyte ) 及角膜輪部上皮細胞 ( limbal epithelial stem cell ) 等各種層片組織替代物,並獲得令人振奮的研究成果,尤其是在眼表面重建 ( ocular surface reconstruction ) 方面,細胞層片組織工程技術的應用已達到臨床治療階段。該項研究報導指出,針對兩眼均有輪部幹細胞缺損的病患,僅需摘取其少量口腔黏膜組織 ( oral mucosa ),即可用於體外培養在溫度應答型界面,製備角膜上皮細胞層的完整片狀組織替代物,並進行自體移植治療。在此臨床試驗中,共有四位病患接受細胞層片移植。經由術後追蹤十四個月的病例報告顯示,患者受損的角膜組織在透明性 ( clarity ) 與再上皮化 ( reepithelialization ) 均已獲得顯著改善。因此,建基於溫度敏感性材料所開發的細胞層片組織工程技術,預期未來在各種細胞療法與再生醫學領域,將具有無限潛力。

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