醫療

科學家研發出能隨羊體成長的人工心臟瓣膜!有望為病童帶來治療新突破

【專家觀點】
科學家研發出能隨羊體成長的人工心臟瓣膜!有望為病童帶來治療新突破 當小朋友必須進行心臟瓣膜置換手術時,瓣膜尺寸會因為小朋友慢慢長大,而需要重新置換;基於多一次手術,就多一次危險性的考量下,如果有生物性的人工瓣膜可以隨著小朋友一起成長的話,那就真的太完美了。僅為情境配圖,取自shutterstock。

當心臟瓣膜無法修補的時候,就必須要置換掉,目前可供選擇的種類有金屬瓣膜和生物瓣膜兩種,在生物瓣膜方面,又再細分為健保給付和自費補差額兩種不同材質,各種材質的優缺點各異,網上好文章很多,所以不再重複敘述。當小朋友必須進行心臟瓣膜置換手術時,和大人相比較,又多了些考量,例如:瓣膜尺寸會因為小朋友慢慢長大,而需要重新置換,基於多一次手術,就多一次危險性的考量下,如果有生物性的人工瓣膜可以隨著小朋友一起成長的話,那就真的太完美了。

2021年3月17日在國際知名期刊《科學轉化醫學》(Science Translational Medicine)雜誌上發表了一篇研究論文,將羊身上的自體細胞(fibroblast)引導生長並製成的人工心臟瓣膜移植到羊體內後,可以維持其功能並與羊體一起成長,達一年左右的時間。

本篇研究論文的主要作者是明尼蘇達大學生物醫學工程系特蘭基洛教授(Robert Tranquillo),由於目前醫學界沒有一個人工生物瓣膜具有持續生長的能力,因此20年來科學界的願望,就是希望能找出一種可以和病童一起成長的心臟瓣膜

作者們首先在生物反應器內,將羊身上取出的自體細胞養在管狀凝膠上

後,清洗掉細胞,留下膠原蛋白的管狀結構以及它的生長因子。然後,研究人員將三不同的管狀膠原蛋白結構縫合在一起並修飾它們成為一個人造生物膜,可以單向開啟和關閉,如同一個心臟瓣膜一樣

由於是自體身上的細胞,所以當植入羊的身上後,就不需要像現在人類使用豬或牛的瓣膜時,因為是異體移植需要做抗排斥處理,結果造成瓣膜無法成長(the growth-stopping anti-rejectin treatment) 

接著,研究小組將瓣膜植入(第一批動物臨床實驗)四隻小羊的肺動脈,瓣膜就會隨著小羊成長但如果瓣膜在使用過程中受到血液壓力性的損壞,可能造成鎖不全而血液流,這現象也確實在小羊身上發生了,因此,只有二個瓣膜成功的使用了整整52設定目標時間,這兩瓣膜有輕度回流(mild regurgitation),收縮壓降(systolic pressure drops)小於10mmHg,而且瓣膜從原來直徑19mm成長到了正常的生理需求(physiologically normal)25mm大小

儘管此篇論文所測試的小羊數量非常少,但與市場上現有的瓣膜進行比較後,顯示出此活瓣膜對日後病童的巨大潛在益處(鈣化程度降低和隨羊體成長)是非常重要,且不可忽視的。僅為情境配圖,取自shutterstock。圖/儘管此篇論文所測試的小羊數量非常少,但與市場上現有的瓣膜進行比較後,顯示出此活瓣膜對日後病童的巨大潛在益處(鈣化程度降低和隨羊體成長)是非常重要,且不可忽視的。僅為情境配圖,取自shutterstock。

為了進一步改良這個瓣膜,研究小組加入了第四個管狀膠原蛋白套管

該套管像套筒一樣包住原先三管所縫製成的瓣膜作者說這可以降低並保護內部瓣膜免受動脈收縮時血液力的損壞,從而改善血液回流的問題

於是,再找來三隻小接受這種改良型的瓣膜(第二批動物臨床實驗),有兩隻能夠保持瓣膜功能完好整整52只有微不足道-輕度的回流(trivial-to-mild regurgitation),收縮壓降小於5mmHg,瓣膜同樣成長到理想需求的大小25mm。般來說羊的壽命平均約12年,兩歲大的羊就能生小羊,因此,在這次實驗中,小羊年後已經成長為成年綿羊,體重至少翻了一倍,相當人類壽命的8~10年左右 

對照組方面,研究人員同時為另外兩隻小羊植入了目前市場上使用的瓣膜,一個化學處理過的牛瓣膜,和一個化學處理過的豬瓣膜結果移植牛瓣膜的羊在第11死亡,由於瓣膜鈣化和血凝塊。而移植豬瓣膜的羊,在第20時必須取出瓣膜,原因是由於羊體成長功能減弱無法使用

此篇論文,儘管所測試的小羊數量非常少,但與市場上現有的瓣膜進行比較後,顯示活瓣膜對日後病童巨大潛在益處(鈣化程度降低和隨羊體成長)是非常重要,且不可忽視的。 

2021年3月19日美國《科學家》健康版記者亞辛斯基女士(Emma Yasinski)特別採訪了加州大學洛杉磯分校小兒心臟權威列維醫生(Daniel Levi)列維醫生說道,當兒童患者需要心臟瓣膜置換的時候如果有自體細胞製成的組織工程瓣膜,且可以和病童一起大的話,那真是上天賜予的最好禮物。不過,他也特別提到,科學經常是動物實驗時有非常好的結果,但卻無法在人體內成功,因此不要高興得太早 

現階段特蘭基洛教授已經與一家生技公司合作,該公司本來就開發使用這種以自體細胞當作材料,並製成血管移植物,所以同意順道生產兒童一起成長的人工心臟瓣膜,除規劃執行更多的羊體移植實驗,期望能進一步精進這種瓣膜的品質與功能外,當然是準備進行日後的人體臨床試驗之用,相當值得期待

(本文作者為陽明大學醫學院藥理學研究所兼任教授)

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