如果醫生能修補心臟梗塞的部位，或只是停止梗塞面積的擴張，就能拯救數百萬條生命。也因此，建造人類心臟活體組織補片，已成為組織工程學中最緊急的目標，同時也是野心最大的計畫。因為在建造心臟組織時，肌纖維需要先自行平行排列，然後建立物理性和神經性連結，才能傳導電訊號，讓心肌纖維同步收縮。皮膚和軟骨組織就沒有那麼複雜，因為它們內部不需要血管分佈，也比較容易在實驗室裡培養。由於血液的供應攸關細胞生死，對於心臟肌肉等較厚的結構，如何將血管融入立體的組織中，目前仍是一大障礙。

儘管如此，在15年前，想要在動物體外製造任何類型的活體組織，都還被認為是異想天開；但從那時起，細胞生物學家和材料工程學家就分別從他們的領域，為這挑戰提出新的見解和技術，並有了長足的進展。以我個人的合作經驗為例，工程原理便扮演著關鍵性的角色，使我們研究團隊能開發出一種可促進心臟細胞和血管生長的支架，甚至在梗塞的死域中也能發揮效用。

奠定基礎

心肌梗塞（myocardial infarction）也就是一般所說的心臟病，成因通常是供應左心室血液的主要血管突然受異物（像是血塊）堵塞，造成負責心臟收縮的心肌細胞部份因缺血缺氧而死亡，成為一條死掉的組織。梗塞的面積，視受阻塞血管負責供應區域的大小而異。

由於心肌細胞鮮少進行細胞分裂，因此無法靠存活的細胞自行複製以修補該區域。雖然動物體內有些組織具有可以衍生各式新細胞的幹細胞，然而幹細胞在心臟的表現卻難以捉摸，似乎無法讓心臟的傷口癒合。因此到最後，反而是由不具收縮能力的纖維細胞逐漸取代梗塞壞死的心肌細胞，梗塞區域周圍的健康心肌細胞也跟著死亡，導致梗塞區域範圍擴大。在這個稱為「重塑」（remodeling）的過程中，梗塞區域的心室壁會變薄，然後心室會擴張（參見右頁〈心臟衰竭：從瞬間致命到慢性病痛〉），最終甚至可能破裂。

過去幾年間，研究人員曾移植骨髓或骨骼肌等其他組織的幹細胞至梗塞區域內，企圖重建心臟組織。他們期望這些細胞能夠適應新環境，開始製造心肌細胞，或至少激發心臟本身可能具有的任何自然再生能力。不幸的是，這類試驗通常不太成功，大部份的幹細胞都禁受不起移植，能夠倖存的幹細胞則傾向聚集在梗塞區域的邊緣，無法與鄰近的健康組織建立接觸，或傳導電信號讓心臟細胞同步收縮。

這些移植的幹細胞無法在梗塞部位生長，主要原因是受傷的區域缺乏一些支持細胞的重要基礎結構。在健康的組織內，存在著一些結構性蛋白質（例如膠原蛋白，collange）和複雜的多醣分子（像是硫酸乙醯肝素，heparan sulfate）構成的細胞外間質（extracellular matrix），它們除了能夠提供細胞結構上的支持外，也會釋出一些刺激細胞生長的化學物質。

組織工程學家了解到細胞外間質的重要性後，就一直在找尋一種理想的替代品，以做為活體組織生長的基台。這些材質必須能形成支撐細胞的支架，並且讓細胞在支架內能夠生長、分裂、自行排列成立體組織，宛如在自然狀況下一樣。這種構造體，將能解決移植的細胞無法附著在受傷區域的問題。然而當細胞定居下來，並開始分泌自己的細胞外間質時，這些支架也會溶解，僅留下健康的組織。或許最重要的是，這些支架必須能讓（更好的情況是能刺激）新組織快速形成血管網絡。血管可把氧氣運送到每一個細胞，並帶走代謝廢物，這是細胞移植到活體後得以生存的必要條件。

1980年代末期，作者之一的科恩有幸能與美國麻省理工學院組織工程學先驅蘭格（Robert Langer）合作（見延伸閱讀1）。建造活體組織在當時仍被許多人視為遙不可及的夢，細胞也總是被列為生物學家的研究範疇，而我們則是化學工程師。不過當時正是兩個領域都有突破進展的時期：生物學家對細胞與物質間的交互作用有了許多新的見解，而化學工程學家合成新類型聚合物的能力也正不停拓展。20年來，組織工程學家已經利用過各式各樣的合成或天然材質進行實驗，企圖製造最佳的生長基台，讓活細胞在裡面能長成完整而且功能俱全的組織。

在採用的人工合成材質中，最常見的是由乳酸交酯（lactide）或乙交酯（glycolide），或結合兩者所構成的可分解性聚酯。雖然這些材質可在人體內安全使用，但它們有幾項缺點：這類材質大多都會排斥水，活細胞較難附著在上面；這類聚合物形成的支架比較容易坍塌，而且當這些材質分解時，產生的酸性副產物可能會引起局部組織發炎，同時還會影響移植細胞的生存。較新型的合成水性凝膠則沒有這些問題，而且它們在結構上也類似天然的細胞外間質。儘管如此，人造水性凝膠仍缺乏一般天然的細胞外間質蛋白質（像是膠原蛋白）所具有的化學特性，無法提供細胞重要的功能信號。

科學家曾經測試過膠原蛋白以及其他細胞外間質蛋白質，例如纖維黏連蛋白（fibronetin），做為支架材料的可能性。這些蛋白質的構成胺基酸確實較易吸附活細胞，但卻都缺乏支持大量細胞時所需的機械強度，而且膠原蛋白尤其容易被體內的酵素分解。此外，這些蛋白質也有可能引發免疫排斥現象（視來源而定），而加重心臟衰竭病患的危險和痛苦。

因此，我們決定嘗試採用另一種天然聚合物來建造支架：褐藻酸鹽（alginate），一種源自藻類的多醣。褐藻酸鹽具有生物相容性，意味它不會刺激人體的免疫系統。當某一特定類型的褐藻酸鹽溶於水，遇到帶正電的鈣離子後，它的分子會連結形成含有98%水的凝膠，其膠質密度和彈性都類似天然的細胞外間質。

但在利用褐藻酸鹽形成的凝膠做為支架時，我們需要賦予它形狀和內部結構，同時還要加強它的機械強度，使它在承受了植入細胞的重量後，還能維持特定形狀。為了達成這目標，我們利用工程學原理，發展了一套固化褐藻酸鹽的新技術。

首先我們將褐藻酸鹽溶液倒入各式模板中，然後利用三種不同的冷卻方法，每種方法都會讓溶液在冷凍的過程中產生獨特的溫度梯度。所有冷凍樣本的結構裡，冰晶之間都被一層層的薄褐藻酸鹽壁所隔開。我們再讓冰晶昇華，留下的就是海綿狀的支架。支架內的細小孔洞反映著冰晶的形狀。如同我們的猜測，透過不同的冷凍方法，我們可以控制細孔的密度、大小、方向，以及它們相互連通的程度（參見左頁〈如何製作組織支架〉）。

相互連通的孔洞特別重要，因為它們讓植入的細胞能夠在支架結構中自由移動；而且在細胞培養期間，養份和廢物要能暢行無阻，也是細胞生存的必須條件。我們還了解到孔洞間相互連通的程度，與新生血管能否穿透形成中的移植組織，有密切的關聯。最後一點是，支架內部類似泡棉或蜂巢的獨特構造，會影響結構的機械強度，即使當細孔佔了支架總體積的95%，支架仍能承受相當的外來壓力。

現在我們已有能力製造特定形狀和構造的支架，採用的是無化學毒性的天然材質，不會刺激免疫系統，並具有良好的機械耐受力，且會在合理的時間內被人體所分解。儘管如此，我們還需要觀察活細胞是否也認為：這樣的支架可以代替梗塞部位所沒有的細胞外間質。

建造組織

在將我們製作的支架植入實驗動物前，我們想先看看在體外培養時心臟細胞對褐藻酸鹽的反應如何。我們取得了大鼠胚胎的心臟細胞（和成熟心肌細胞不同的是，它仍具有分裂能力），先讓這些細胞懸浮在含有養份的培養液內，再將懸浮液注入直徑六公釐、厚一公釐的圓餅形支架中，在輕微離心力的協助下，細胞很快滲入支架的細孔，不到30分鐘就自行分佈均勻 。

由於這些細胞對「缺氧」非常敏感，因此速度是一項很重要的優勢，它可以增加細胞的存活率。而均勻分佈的特點，則讓我們能夠植入大量的細胞，結果我們的支架可容納的細胞密度高達每立方公分108個細胞，和自然心臟肌肉組織中成熟細胞的密度相當。

我們將含有細胞的支架放入一種稱為「生物反應器」的特殊培養箱內，箱中可以維持理想的濕度和大氣條件，同時還能讓含有養份的培養液不斷在支架內部和周圍循環。我們密切監控著細胞代謝的情形，在48小時後，已可偵測到心肌細胞的跳動。七天後，是執行下一步驟的時候了：將支架移植回活體心臟。

我們將七天前左心室發生心肌梗塞的成年大鼠麻醉，並進行手術。每一種動物的梗塞部位都很容易就可看出：那是一個無法收縮、顯而易見的淡色疤痕。我們將含有細胞的支架直接放在梗塞部位上，縫合手術切口，然後耐心等待。

兩個月後，我們再度打開大鼠胸腔檢視心臟，驚訝地發現，已有大量的新生血管從心臟的健康組織長到移植組織之內（參見上方插圖）。移植的人造心臟組織融入傷疤組織的情況良好，褐藻酸鹽支架也開始分解，似乎由天然的細胞外間質取代。胚胎心肌細胞已發展為成熟的心肌纖維，其中一些細胞也自行排列成平行結構，就像自然的心肌組織。這些纖維，也具備了讓心臟細胞收縮、傳導神經訊號所需的機械性連結和電突觸。

我們在移植前，曾以超音波檢查大鼠的心臟功能，並對控制組的心肌梗塞大鼠進行假手術，卻未放入移植組織。兩個月之後，我們也對所有大鼠進行心臟超音波檢查。在控制組，我們見到典型的心臟功能惡化的情形：心室擴張且心臟功能嚴重減弱；相對的，移植組的情形全都和剛發生梗塞時的狀況接近：左心室的大小、心室壁的厚度，還有心臟的功能皆無變化。

我們已經達成了這項研究的最初目標：保護梗塞的心臟，避免繼續惡化造成心臟衰竭。然而我們也還有許多問題尚未獲得解答。目前我們仍不清楚這種治療法是如何保護心臟肌肉，因為移植組織尚未加入心臟一起收縮。它的效果看起來比較像避免梗塞部位的擴大，並且增加了梗塞心臟的心室壁厚度，只能說，移植的組織可能防止了心室重塑。

我們相信在梗塞區域內新血管的生長，也是大幅減緩惡化的原因。讓我們感到意外的結果是，除了含有細胞的支架內有最多和最大的血管形成外，沒有植入細胞的支架也可刺激血管生長到梗塞部位裡。

褐藻酸鹽支架能刺激新血管的生成，可能只是因為它們在血管穿入受傷區域時提供了結構上的支持。我們也懷疑材質本身可能有助於召集幹細胞來協助再生過程，因為褐藻酸鹽的化學構造類似細胞外間質中一種重要的多醣類：硫酸乙醯肝素。為了測試這想法，我們最近嘗試將褐藻酸鹽凝膠直接注射到大鼠的梗塞部位，發現即使只有褐藻酸鹽，也得以維持心室的結構和功能，顯然褐藻酸鹽替代了細胞外間質，因而刺激血管新生。

當然，和這領域中的其他許多研究者一樣，我們也正在測試各種來源的心臟細胞，應用在人體移植上的潛力。由於病患自身的成熟心臟細胞並不會複製，因此它們不在考慮範圍之內。其他可誘導成為心肌細胞的，包括了胚胎幹細胞和來自骨髓或臍帶血的「成體」幹細胞。然而所有捐贈細胞都有可能被病患的免疫系統視為外來物，而必須使用抑制免疫系統的藥物。自體移植（使用病患本身的細胞）是防範免疫排斥的選擇，其中包括幹細胞和衍生自骨髓、肌肉和脂肪的前驅細胞，或是將病患細胞經所謂「醫療複製」製造出來的胚胎幹細胞；或者心臟本身可能也有尚未被找到的心臟幹細胞。

心臟重建之路

我們的成果令人振奮，並且也顯示了數種可行的辦法，可以使用褐藻酸鹽支架來保護因為心肌梗塞而受損的心臟，並且促進心肌再生。舉例來說，在三年之內，我們相信我們一定能測試不含細胞的褐藻酸鹽支架對人類心肌梗塞的效果。我們最近利用豬隻實驗再度證實我們在大鼠見到的現象：即使沒有植入細胞，褐藻酸鹽支架本身似乎就可以防止新梗塞部位繼續擴大，以及避免心室的重塑。因此對心臟尚未出現嚴重重塑情形的病患，這種方法將能阻止重塑的發生，而有效防範患者的症狀惡化為心臟衰竭 。

褐藻酸鹽明顯有助長血管新生的能力，顯示我們或許可以先將支架植入動物體內，待血管形成後，再將細胞植入支架，以增進移植細胞的存活率。我們在大鼠體內嘗試這種體內組織形成的實驗，並獲得非常有希望的結果。尤其是當我們加入含有生長因子的緩釋微粒時，更大幅增進血管的形成（參見上方插圖）。不過我們也注意到，在血管預先形成的支架中，可供移植細胞生長的空間也相對減少，所以我們目前正試驗使用不同生長因子以調整血管新生。

在目前，體外組織工程學的方法仍讓我們對組織的形狀、組成和功能有最大的控制力。此外，對梗塞部位已經破裂的病患，需要的是一整片的心臟組織以修補破洞，光靠移植空支架是不會有作用的。因此我們又回到老問題：如何在梗塞處長出足夠的血管之前，保持移植細胞的存活。以我們現在的經驗，已經可以開始試探製造含血管移植體的可能性。 我們利用含有內皮細胞（構成血管壁的細胞）的褐藻酸鹽支架，製造了一個適合微血管生長的溫床，然後將它培養在生物反應器裡。接下來我們將嘗試在支架內同時培養內皮細胞和心肌細胞，看看是否能形成一塊含微血管的心肌組織。如果成功的話，下一步就可以觀察這塊含微血管的組織在移植後是否會有功能，如果有的話，多快會發生。假如它們能很快和附近血管連通，那麼移植組織的存活率將會非常高。

還有許多其他研究者也正利用各種不同的策略，想克服製造含血管組織的困難（參見2004年6月號〈新聞掃描：列印身體組織〉）。我相信我們不是唯一嘗試心臟組織工程的研究者，如果其他任何可能的辦法有機會證明其價值，整個領域都能跟著學習和進步。雖然可能得再花15年才能達成最終目標，但建造人體心臟活體補片的夢想，肯定不再是異想天開。

【2004-12-01/科學人/34期/P.68】