幹細胞重建「心」世界 ── 專訪日本 CiRA 研究所山下潤教授 談心臟疾病的再生醫學

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心臟疾病和腦血管疾病分別佔日本人主要死因的第二和第四位,其中,由心肌梗塞或心肌病變(cardiomyopathy)所引起的嚴重心衰竭,目前除了心臟移植外沒有其他治療方法,然而,器官移植的供不應求及排斥問題,使得心臟再生醫學的重要性與日俱增。任職於日本京都大學幹細胞研究所 CiRA [註] 的山下潤(Jun K. Yamashita, MD, PhD)教授所帶領的實驗室,長期投入胚胎幹細胞(embryonic stem cell)與誘導性多能幹細胞(induced pluripotent stem cell, iPSC)分化成心血管細胞之研究,希望促進心臟疾病再生醫學的發展,造福更多病人。此次基因線上赴日採訪,除了朝聖諾貝爾得主山中伸彌(Shinya Yamanaka)教授所創立的 CiRA ,也專訪山下潤教授,一探幹細胞於心臟疾病治療的發展及應用。

日本京都大學幹細胞研究所 CiRA 。攝影:基因線上。

iPSC 的出現 引領他進入心臟疾病再生醫學的世界

「我原本是一名醫師,」山下教授說,「在經過幾年的醫院訓練後,決定回到京都大學醫學研究所進修,專攻血管生物學(vascular biology)與高血壓的研究,也探討動脈粥狀硬化(atherosclerosis)的致病機轉。」後來,他到發育生物學(developmental biology)實驗室擔任博士後研究員,投入胚胎幹細胞分化成血球細胞的研究,並成功將胚胎幹細胞分化成內皮細胞和血管平滑肌細胞,在體外形成 3D 類血管組織,該研究於 2000 年發表於《Nature》期刊。

隨後,他決定從臨床研究轉到基礎研究,由於當時心臟細胞再生的議題較血管細胞熱門,因此山下教授開始嘗試將胚胎幹細胞誘導成心肌細胞,最終獲得了成功。回想這段歷程,他表示,自從 1998 年美國科學家分離出人類胚胎幹細胞後,掀起幹細胞研究的熱潮,但因為倫理道德的爭議,也讓這類研究處處受限;直到 2007 年,京都大學的山中伸彌教授成功培養出類似胚胎幹細胞的誘導式多能幹細胞(iPSC),除了避開道德疑慮,也克服胚胎幹細胞於細胞移植的免疫排斥問題,重新振奮幹細胞研究領域,也帶動 iPSC 相關研究與應用的崛起。「那時我正好在鑽研心血管細胞的分化,就嘗試將 iPSC 應用到心臟細胞的再生,」他說,「一切就像命中注定,iPSC 的出現也引領我進入心臟疾病的再生醫學領域。」而山下教授的實驗室也成功運用 iPSC 培養出可用於心臟修復的細胞組織層片,並在小鼠、豬隻實驗獲得良好的結果。

圖左為 iHeart Japan 株式会社的董事長兼執行長角田健治(Kenji Kakuta),右為山下潤教授。攝影:基因線上。

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心臟移植迫在眉睫  iPSC 及細胞層片技術帶來新希望

提到再生醫學於心血管疾病的應用,山下教授以心衰竭為例,指出日本一年有超過二十萬人需要進行心臟移植手術,但卻僅有三十到五十位病患接受心臟移植,由此可見幹細胞治療的發展相當重要。目前,山下教授的實驗室已經可以誘導人類的 iPSC 分化為心肌細胞、内皮細胞、平滑肌細胞等數種心血管細胞,再運用這些細胞培養出心臟細胞層片(cell sheet),用於心臟之再生修復。然而,當細胞培養超過四層時,可能因缺氧導致細胞死亡,因此山下教授的團隊引進一項組織工程技術 ── 明膠水凝膠微球體(gelatin-hydrogen microspheres),將微球體插入細胞層片中,製造出空間,可避免細胞接觸或堆疊,水凝膠則提供細胞生存所須的氧氣。「目前已成功製造出五層細胞層片,並轉植到小鼠身上,」山下教授一邊播放實驗影片,一邊解釋:「一個月後,許多心肌細胞仍然存活,微血管也逐漸生成,成效不錯。我們的團隊最多可製造出四十層的心肌細胞層片,現在也正積極準備大鼠和豬隻的臨床前研究,希望能盡快用於人類。」

人工合成器官的挑戰

在器官移植的部分,由於人類器官的構造相當精密,在製造上困難度高,且一個器官包含不同類型的細胞,並非每種細胞都可從人類細胞誘導出來,因此對於將人類幹細胞注入動物體內培養出人工合成器官,山下教授認為,在移植上會產生許多問題,例如心臟、心肌細胞可從人類細胞製造,而血管細胞則能從豬隻身上培養,然而合成器官可能因為包含一些豬隻衍生細胞而受到人體免疫系統攻擊,產生不良影響,因此人工合成器官的應用雖然備受矚目,但仍有很多技術問題尚待克服。

藥物安全性測試與新藥開發

除了組織修復與再生,藥物安全性測試與開發也是 iPSC 的另一項重要應用。他也表示,目前對心臟來說,胚胎幹細胞衍生出的心肌細胞是檢測藥物反應的良好候選,舉例來說,有些非抗心律不整的藥物具有延長心臟再極化的特性,容易導致心律不整,甚至引發心衰竭,但由於上述狀況都是發生於器官層級,而非細胞層級,因此一般的細胞藥篩無法呈現這類型問題。若改用 iPSC 誘導出所需要的人類細胞,再透過細胞層片技術,於體外製造出相似的器官組織,可以幫助藥物篩選更加精準。去年,山下教授的團隊發表了心律不整的體外模型,現在也正進行心衰竭相關研究。此外,他的團隊也取得心臟疾病患者的 iPSC,探討主動脈剝離的病理機轉與藥物研發。

山下潤教授於實驗室外。攝影:基因線上

未來研究方向

細胞命運藏玄機,臨床應用值得期待

山下教授特別和我們分享,自己對細胞命運(cell fate)很感興趣:「以心肌細胞來說,在其分化過程中,細胞的命運決定在某些特定的時間點,而我認為某些結構在這些時間點上扮演關鍵的角色,我們可以透過藥物讓心肌細胞再生,從中觀察細胞分化的機制,或許有望找到影響細胞命運的關鍵線索,若能加以控制,就有可能改變細胞的命運,進而應用到臨床。」不過,他也表示這項研究要進展到臨床應用還有很長一段路要走。

胞外體也在細胞治療佔有一席之地

此外,山下教授表示,希望在一、兩年內能真正將幹細胞治療推廣到臨床,讓真正有需求的病患都能使用,由於這是個新興的治療方法,因此為了更安全且更易操作,也導入近年頗受重視的胞外體(exosome,也稱外泌體)。他認為胞外體功能廣泛,很多間質幹細胞 (mesenchymal stem cell, MSC) 產出的胞外體具有保護心臟的功能,或許能應用在心臟疾病的細胞治療上。最後,他提到僅管細胞治療目前仍無法取代常規的心臟疾病治療,且安全性問題仍是一大挑戰,但科學家們依然會持續努力,為罹患這類疾病的患者帶來更多可行的治療方案。

採訪、撰文 / Thomas Huang、Jane Lee
審稿 / Alma Wu、Parker Yang

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[註]:CiRA 為日本京都大學幹細胞研究所,由諾貝爾得主、被譽為「iPSC 之父」的山中伸彌教授所創立。曾擔任醫師的山中教授,畢生致力於研究與發展胚胎幹細胞相關技術,希望造福更多病患,因此該機構成立的目的是為了將胚胎幹細胞的基礎研究推向臨床應用,包含器官移植及藥物開發。而該機構也在山中教授獲頒諾貝爾獎後,加速擴展,帶來更多合作機會,例如:CiRA 與武田藥品(Takeda Pharmaceutical Co., Ltd.)的合作計畫(T-CiRA),許多任職於 CiRA 的醫生與研究人員也都和藥廠有進行合作。

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