【心的希望】神奇的心臟補丁

  |2021.07.04
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最新醫學研究正在進行以3D列印補丁直接縫到心臟上。圖/123RF
心臟驟停大難不死的人,可能會永久性心臟衰竭。圖/123RF
圖/123RF

文/本報綜合報導 

外科醫生常說的一句話:對於遭遇心臟驟停的患者,時間就是生命。心臟依賴冠狀動脈持續不斷輸送的氧氣才能存活,如果血氧供應遭到阻塞,心肌細胞就會在短短幾分鐘之內死亡。一般而言,除非醫生能在1小時之內消除血管阻塞,否則將會有多達10億個心肌細胞不可逆轉地凋亡。

僥倖經歷心臟停止而大難不死的患者,常會出現永久性心臟衰竭,在英國,心臟病患者有45萬人之多。然而,經歷心臟停搏後5年的生存率卻只有50%。劍橋阿登布魯克醫院(Addenbrooke's Hospital)心臟病專家桑傑‧辛哈(Sanjay Sinha)指出,因為患者的心臟功能非常衰弱,無力承受足夠的血流量,最後以停止跳動而告終。

再生醫學的優勢

在未來5年內,再生醫學將提供另一種可能,那就是培育鮮活而不斷跳動的「心臟補丁」。與皮膚、肝臟等其他器官相比,心臟的自我修復能力很差,而心肌細胞每年的複製率只有0.5%,無力修復重大損傷。另外,心肌細胞死亡後,會被無生命力的僵硬疤痕組織所取代,意味著心臟會永久失去這部分功能。

目前,解決心臟衰竭問題唯一的醫療是心臟移植手術。但是由於供體有限,英國每年只能做200例心臟移植手術。辛哈說,每年心臟健康意外死亡的年輕人案例十分有限,因此他認為永遠不會有足夠的供體。

另一個有希望的療法是幹細胞醫學。在臨床實驗裡,由於幹細胞可以透過誘導發育為各種人體細胞,因此科學家正在研究,能否透過直接向心臟注射心肌幹細胞,而讓受損的心臟重新肌組織化,幹細胞的來源是患者的血液或骨髓。

儘管這一療法已經成功再生了受損血管,並促進了血液向心臟的回流,但是由於未能解決讓壞死的心肌細胞重新生長的主要問題,所以它們對病人的受益性還是很有限。在注入心臟的幹細胞中,有95%沒能附著到心臟上,而是立刻被血流沖走。為此,辛哈和劍橋大學幹細胞學院的幹細胞生物學研究小組,共同研究另一種療法:心臟補丁。

這種不斷跳動的心肌組織只有2.5平方公分大小,0.5公分厚,在實驗室的小型培養皿中培育而成。心肌補丁是透過對血液細胞重新編碼,使之先轉化為一種特殊幹細胞,再轉化成人體任一類細胞(例如心肌細胞、血管細胞和構成心臟外形的心外膜),然後生長1個月後而形成。科學家把單個心肌細胞放入一種特殊框架進行培育,最終生長成為真實心肌組織的外形。

辛哈表示,心臟補丁有很大機會能夠與患者心臟實現自然融合。透過將不同種類的細胞組合在一起,讓它們彼此連結,研究小組已經製作出能夠跳動和收縮,具備完全功能的心肌組織。據研究發現,胚胎發育過程中,心外膜和心臟之間會產生大量互動,因此心外膜細胞對於心肌細胞的協調發育具有重要的作用。

辛哈目前正在計畫研發心臟補丁臨床試驗,首先做小鼠和豬等動物實驗。如果一切順利,將在近期內開展第一例人體試驗。

3D列印醫療科技

有關心臟補丁研究,辛哈並不孤單。一個由史丹佛大學(Stanford University)、杜克大學(Duke University)和威斯康辛大學(University of Wisconsin)組成的聯合小組正在積極研究心臟補丁。

和辛哈一樣,他們也計畫使用超音波和MRI磁振造影掃描定位心臟受損部位。根據損傷的形狀,他們用3D列印機造製一塊任意大小和形狀的心臟補丁。然後,在外科醫生打開患者胸腔後,將補丁直接縫補到心臟上面,並連接現有靜脈和動脈。

該合作研究計畫成員威斯康辛大學再生生物學教授蒂姆‧卡姆(Tim Kamp)說,心肌嚴重衰竭的病人,會出現心臟膨大以適應損傷,就像曲棍球變成一個籃球那樣,在此情況下需要在不同部位修補好幾塊補丁。

這種新療法的主要挑戰在於,如何透過讓新補丁和心臟完成心電訊號融合,從而讓兩者能夠同時跳動。任何存在缺陷的心電訊號傳導,都會導致出現異常心率。

卡姆指出,技術上可以透過外科器械把補丁縫到心臟上面,但不能強迫它們彼此協調行動。辛哈說,如果能夠攻克這個難關,心臟補丁技術就不僅能夠拯救無數生命,還能節約大筆醫療費用。

負擔輕有願景

在英國,心臟移植手術費用大約是50萬英鎊(69萬美元),包括住院所需費用。但是對於無法接受移植的成千上萬心臟衰竭患者,持續性長期治療和定期住院的費用更加昂貴。相較而言,當前心臟補丁療法的費用只需7萬英鎊(9.6萬美元)左右。

另外,由於心臟補丁是由患者自身的血液細胞為原料製成,接受心臟補丁治療的患者無需承受心臟移植手術併發症帶來的痛苦,例如長期服用免疫抗體藥物。卡姆說,受傷的心臟是一個充滿敵意的環境,新組織很難存活,心臟補丁的優勢在於,它是為患者訂制的,因此心臟不會排斥補丁組織。研究人員說,新技術將改變全球上百萬患者的人生。

辛哈表示,心臟衰竭會讓很多患者生命品質低劣,因為很容易感到精疲力竭,甚至沒法爬上客機舷梯。但是現在已經能夠製造鮮活的心臟組織,並讓它和患者之間完全沒有排斥反應。補丁細胞和原有心臟細胞將以神祕而奇妙的方式互相對話,共同協作。未來幾年內,如果能再進行更加細緻的研究,並且證實心臟補丁具有絕對安全性,就能幫助成千上萬的心臟病患者重新獲得美好的人生。

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