从动物细胞培养到组织工程

1、 從動物細胞培養到組織工程 施秀惠國立台灣大學生命科學系嚴重急性呼吸道症候群SARS(severe acute respiratory syndrome)病原體究竟是冠狀病毒? 副黏液病毒? 或其他?臺灣與香港的研究進展有落差! 重要關鍵:是否尋獲有感受性的細胞株? 何謂動物細胞培養？ 植物組織培養(plant tissue culture)金線蓮非洲菫生物組成之階層(The hierarchy of biological order)分子 (molecule)細胞 (cell)組織 (tissue)器官 (organ)系統 (system)個體 (organism)族群 (populatio

2、n)群聚(community)生態系(ecosystem)植物細胞與組織培養動物細胞或動物組織培養通稱的動物組織培養(ATC - Animal tissue culture) 究竟在培養什麼? 蛙胚延髓組織培養在青蛙淋巴凝塊內動物細胞培養之創始通稱的動物組織培養培養對象為(動物)細胞層級增殖基礎為有絲分裂, 不涉及 減數分裂獲得初級培養(primary culture)或 細胞株(cell line)Clone- 株,克隆in vitro culture (體外培養) vs. in vivo(活體)如何培養動物細胞？ 兩種根本策略 初級組織塊培養法 (primary explant cultu

3、re) 分散細胞培養法 (dispersed cell culture) 草蝦淋巴器官組織塊細胞培養吳郭魚生殖腺單層細胞培養根本設備無菌操作檯- 配備 HEPA filter倒立顯微鏡倒立顯微鏡和25T培養瓶培養環境培養器材:培養皿、盤、瓶等 培養基:amino acids, vitamins, coenzymes 添加物:血清、生長激素等 培養條件: 氣相、溫度等利用動物細胞培養技術之優勢和限制 優 勢 控制下的環境 性質且均質化的標本 經濟性限 制 經驗和技術之需求度高量產之困難 細胞株之穩定性最嚴峻的挑戰-污染(contamination) -自始至今皆然污染物的種類與特徵偵測方法與操作

4、原則交叉污染 預防污染方法 消毒(Sterilization) 物理法、化學法、機械法無菌操作(Aseptic technique) 學習之宗旨與精髓動物細胞培養技術之成就與貢獻 病毒學研究體外(in vitro)培養病毒 1937:黃熱病毒 1949:小兒麻痺病毒.製備疫苗 1954諾貝爾生理醫學獎: Enders, Weller，Robbins 試想:如果開發出SARS,(禽)流感或 AIDS疫苗?!HPV疫苗-子宮頸癌新剋星HPV- 人類乳突病毒,經由性行為傳染,引起子宮頸癌HPV16型疫苗之人體試驗(2002/11新英格蘭醫學雜誌刊登)全美16個醫學中心, 2392位1623歲女性,同

5、步進行實驗組-1194人, 對照組-1198人接種疫苗後追蹤結果:實驗組- 無人發生持續性HPV感染對照組- 9個HPV導致之子宮頸癌前病變遺傳學研究 核型(karyotype)分析 例如: 胎兒診斷 羊膜或絨毛膜穿刺 遺傳代謝疾病診斷 其他重要應用基因工程 作為基因之增殖與表現系統癌症研究 基因轉殖動物人工生殖潛力與展望組織工程學 (Tissue engineering)- 2000年5月美國?時代?雜誌列為未來十大熱門工作之首主要致力於組織和器官的再生與形成在一個模仿組織與器官形狀的材料中種入細胞，使細胞依照模型長成新的組織與器官，以修復人體組織的缺損。前驅: 美國麻州總醫院外科醫師韋肯逖

6、(Joseph Vacanti麻省理工學院化工系教授藍格(Robert Langer構想:結合醫學與材料工程的知識背景，研發製造能修復人體病變組織與器官的零件，以克服器官捐贈來源短缺的困境 。組織工程的開始成果1. 體外培養:1992年在多孔狀結構高分子材料上培養出 軟骨細胞，並形成新的軟骨組織。2. 活體培養:老鼠背上培養出人耳形狀的軟骨。 組織工程三大元件 - 細胞、支架、訊號 細胞 組織生成 訊號 支架 細胞 - 組織再生的關鍵 策略: 採集少量的自體細胞經過體外培養增殖後， 再運用於修復體內器官。兩種細胞類型： 已分化完全的成熟細胞， 具有分化成其他細胞能力的幹細胞。 幹細胞(stem

7、 cell)培養 幹細胞是身體所有組織的前身來源: 胚胎-完整潛能(totipotent)或 豐富潛能(pluripotent)細胞 成體-多重潛能或特定功能(multipotent) 細胞NIH (2000 May)完整潛能豐富潛能囊胚期細胞NIH (2000 May)骨髓神經細胞心肌細胞胰島細胞預期將愈來愈多研究現況與應用目標疾病與受傷之治療 例如:脊髓傷害之癱瘓(大鼠) 、 帕金森氏症、阿茲海默症、糖尿病、 黏多糖症、類風濕性關節炎等器官移植具備無限潛力但受倫理規範胚胎幹細胞研究規範(Science 2001)第一級: 絕對禁止(法、瑞士、西、冰島、波蘭)第二級: 現有細胞株, 不得再以

8、受精卵製造 新細胞株(美國)第三級: 可使用人工流產與人工生殖之多餘胚胎 (日本、加、澳洲、以色列) 我國 2002/2/19 公告- 胚胎幹細胞研究倫理規範第四級: 可為研究目的製造新胚胎 (大陸、美私人經費贊助者)人造血管-組織工程皮膚成功的前提A collagen biopolymer (Black et al. 1998) :角質細胞真皮纖維母細胞臍靜脈內皮細胞cocultureendothelialized skin equivalent (ESE)人工關節-軟骨再生1.第一次手術: 從病人關節軟骨中未 受力的局部，取出一片約為葡萄乾 大小的健康軟骨組織。體外 培養，使細胞數增加約1020倍。3.第二次手術: 清理軟骨受損的局部， 從下方骨頭部位取出一片約與傷口 大小相同的骨膜，縫