醫學

誰來修補我的心

心肌梗塞若不能即時修補,將演變為致命的心臟衰竭;結合生物學與工程概念的「組織工程學」,已經發展出修補心臟的新技術!

撰文/科恩(Smadar Cohen)、雷歐(Jonathan Leor)
翻譯/涂可欣

醫學

誰來修補我的心

心肌梗塞若不能即時修補,將演變為致命的心臟衰竭;結合生物學與工程概念的「組織工程學」,已經發展出修補心臟的新技術!

撰文/科恩(Smadar Cohen)、雷歐(Jonathan Leor)
翻譯/涂可欣

因愛而受傷的心可以靠時間撫平,但因心臟病發而受損的心肌卻會日漸惡化。和肝臟或皮膚不同的是,心臟組織無法再生,心臟病留下的疤痕會一直是一塊無法收縮的死域。這塊稱為「梗塞」(infarct)的傷疤,會妨礙心肌正常的同步收縮,加重心臟健康部位的負荷,造成更多心肌細胞死亡和心壁變形;短短幾個月之內,就會因惡性循環而使梗塞的面積加倍。


雖然目前在醫療急救後,有較多的病患得以度過心臟病的危機,但至少有三分之一的患者,受損的心臟會變得越來越衰弱,這種狀況在醫學上稱為心臟衰竭,而目前只有一種治療方法:心臟移植。移植是一種既困難又昂貴的手術,而且因為捐贈者嚴重不足而受限,舉例來說,去年美國新增的心臟衰竭病例有55萬件以上,但僅有2000件心臟移植案例,對其他的病患來說,他們的生活品質每況愈下;只有不到40%的病患,在初次病發後還能活過五年。


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,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。