心脏疾病和脑血管疾病分别占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变（cardiomyopathy）所引起的严重心衰竭，目前除了心脏移植外没有其他治疗方法，然而，器官移植的供不应求及排斥问题，使得心脏再生医学的重要性与日俱增。任职于日本京都大学干细胞研究所 CiRA [注] 的山下润（Jun K. Yamashita, MD, PhD）教授所带领的实验室，长期投入胚胎干细胞（embryonic stem cell）与诱导性多能干细胞（induced pluripotent stem cell, iPSC）分化成心血管细胞之研究，希望促进心脏疾病再生医学的发展，造福更多病人。此次基因线上赴日采访，除了朝圣诺贝尔得主山中伸弥（Shinya Yamanaka）教授所创立的 CiRA ，也专访山下润教授，一探干细胞于心脏疾病治疗的发展及应用。
日本京都大学干细胞研究所 CiRA 。摄影：基因线上。
iPSC 的出现 引领他进入心脏疾病再生医学的世界
“我原本是一名医师，”山下教授说，“在经过几年的医院训练后，决定回到京都大学医学研究所进修，专攻血管生物学（vascular biology）与高血压的研究，也探讨动脉粥状硬化（atherosclerosis）的致病机转。”后来，他到发育生物学（developmental biology）实验室担任博士后研究员，投入胚胎干细胞分化成血球细胞的研究，并成功将胚胎干细胞分化成内皮细胞和血管平滑肌细胞，在体外形成 3D 类血管组织，该研究于 2000 年发表于《Nature》期刊。
随后，他决定从临床研究转到基础研究，由于当时心脏细胞再生的议题较血管细胞热门，因此山下教授开始尝试将胚胎干细胞诱导成心肌细胞，最终获得了成功。回想这段历程，他表示，自从 1998 年美国科学家分离出人类胚胎干细胞后，掀起干细胞研究的热潮，但因为伦理道德的争议，也让这类研究处处受限；直到 2007 年，京都大学的山中伸弥教授成功培养出类似胚胎干细胞的诱导式多能干细胞（iPSC），除了避开道德疑虑，也克服胚胎干细胞于细胞移植的免疫排斥问题，重新振奋干细胞研究领域，也带动 iPSC 相关研究与应用的崛起。“那时我正好在钻研心血管细胞的分化，就尝试将 iPSC 应用到心脏细胞的再生，”他说，“一切就像命中注定，iPSC 的出现也引领我进入心脏疾病的再生医学领域。”而山下教授的实验室也成功运用 iPSC 培养出可用于心脏修复的细胞组织层片，并在小鼠、猪只实验获得良好的结果。
图左为 iHeart Japan 株式会社的董事长兼执行长角田健治（Kenji Kakuta），右为山下润教授。摄影：基因线上。
心脏移植迫在眉睫 iPSC 及细胞层片技术带来新希望
提到再生医学于心血管疾病的应用，山下教授以心衰竭为例，指出日本一年有超过二十万人需要进行心脏移植手术，但却仅有三十到五十位病患接受心脏移植，由此可见干细胞治疗的发展相当重要。目前，山下教授的实验室已经可以诱导人类的 iPSC 分化为心肌细胞、内皮细胞、平滑肌细胞等数种心血管细胞，再运用这些细胞培养出心脏细胞层片（cell sheet），用于心脏之再生修复。然而，当细胞培养超过四层时，可能因缺氧导致细胞死亡，因此山下教授的团队引进一项组织工程技术 ── 明胶水凝胶微球体（gelatin-hydrogen microspheres），将微球体插入细胞层片中，制造出空间，可避免细胞接触或堆叠，水凝胶则提供细胞生存所须的氧气。“目前已成功制造出五层细胞层片，并转植到小鼠身上，”山下教授一边播放实验影片，一边解释：“一个月后，许多心肌细胞仍然存活，微血管也逐渐生成，成效不错。我们的团队最多可制造出四十层的心肌细胞层片，现在也正积极准备大鼠和猪只的临床前研究，希望能尽快用于人类。”
人工合成器官的挑战
在器官移植的部分，由于人类器官的构造相当精密，在制造上困难度高，且一个器官包含不同类型的细胞，并非每种细胞都可从人类细胞诱导出来，因此对于将人类干细胞注入动物体内培养出人工合成器官，山下教授认为，在移植上会产生许多问题，例如心脏、心肌细胞可从人类细胞制造，而血管细胞则能从猪只身上培养，然而合成器官可能因为包含一些猪只衍生细胞而受到人体免疫系统攻击，产生不良影响，因此人工合成器官的应用虽然备受瞩目，但仍有很多技术问题尚待克服。
药物安全性测试与新药开发
除了组织修复与再生，药物安全性测试与开发也是 iPSC 的另一项重要应用。他也表示，目前对心脏来说，胚胎干细胞衍生出的心肌细胞是检测药物反应的良好候选，举例来说，有些非抗心律不整的药物具有延长心脏再极化的特性，容易导致心律不整，甚至引发心衰竭，但由于上述状况都是发生于器官层级，而非细胞层级，因此一般的细胞药筛无法呈现这类型问题。若改用 iPSC 诱导出所需要的人类细胞，再透过细胞层片技术，于体外制造出相似的器官组织，可以帮助药物筛选更加精准。去年，山下教授的团队发表了心律不整的体外模型，现在也正进行心衰竭相关研究。此外，他的团队也取得心脏疾病患者的 iPSC，探讨主动脉剥离的病理机转与药物研发。
山下润教授于实验室外。摄影：基因线上
未来研究方向
细胞命运藏玄机，临床应用值得期待
山下教授特别和我们分享，自己对细胞命运（cell fate）很感兴趣：“以心肌细胞来说，在其分化过程中，细胞的命运决定在某些特定的时间点，而我认为某些结构在这些时间点上扮演关键的角色，我们可以透过药物让心肌细胞再生，从中观察细胞分化的机制，或许有望找到影响细胞命运的关键线索，若能加以控制，就有可能改变细胞的命运，进而应用到临床。”不过，他也表示这项研究要进展到临床应用还有很长一段路要走。
胞外体也在细胞治疗占有一席之地
此外，山下教授表示，希望在一、两年内能真正将干细胞治疗推广到临床，让真正有需求的病患都能使用，由于这是个新兴的治疗方法，因此为了更安全且更易操作，也导入近年颇受重视的胞外体（exosome，也称外泌体）。他认为胞外体功能广泛，很多间质干细胞 （mesenchymal stem cell, MSC） 产出的胞外体具有保护心脏的功能，或许能应用在心脏疾病的细胞治疗上。最后，他提到仅管细胞治疗目前仍无法取代常规的心脏疾病治疗，且安全性问题仍是一大挑战，但科学家们依然会持续努力，为罹患这类疾病的患者带来更多可行的治疗方案。
采访、撰文 / Thomas Huang、Jane Lee
审稿 / Alma Wu、Parker Yang
[注]：CiRA 为日本京都大学干细胞研究所，由诺贝尔得主、被誉为“iPSC 之父”的山中伸弥教授所创立。曾担任医师的山中教授，毕生致力于研究与发展胚胎干细胞相关技术，希望造福更多病患，因此该机构成立的目的是为了将胚胎干细胞的基础研究推向临床应用，包含器官移植及药物开发。而该机构也在山中教授获颁诺贝尔奖后，加速扩展，带来更多合作机会，例如：CiRA 与武田药品（Takeda Pharmaceutical Co., Ltd.）的合作计画（T-CiRA），许多任职于 CiRA 的医生与研究人员也都和药厂有进行合作。
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