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研究發展~再生醫學3

兩相關節軟硬骨修復技術
文‧圖/江清泉

  我是臨床骨科醫師,專長在膝關節領域,門診病人最多的是膝部關節受傷,而膝關節受傷最主要的部位除韌帶斷裂以外,就是軟骨損傷;對於後者,從文獻來看,對日常生活及運動功能造成的影響幾乎和退化性關節炎一樣嚴重。

  18世紀蘇格蘭解剖學家John Hunter根據畢生觀察得到一個結論:軟骨受傷幾乎是不能修復的。這兩百多年來,他的陳述一直沒被打破,因而過去對於膝關節軟骨受傷有許多不同的治療方式;臨床上若對一種疾病有很多種治療方法就表示沒有一個好方法,這種想法直到20世紀末才有所改變。

  1994年瑞典骨科醫師Matt Brittberg主張取出人體軟骨的一部分進行體外(in vitro)培養3週後,會長出許多軟骨細胞,再將這些新生成的軟骨細胞植回病患缺損部位,可以修復關節的軟骨損傷;這是自體軟骨細胞培養及移植的開始。同年Brittberg在《新英格蘭醫學雜誌》發表論文引起極大轟動,而其培養技術後來成為美國Genzyme公司的產品“Carticel”。但亞洲地區一直無法應用此一技術於臨床,主要原因在於體外培養細胞操作規範繁複,只要有一個環節出錯,植入人體後可能會對人體產生不利的影響。

  近幾年,韓國、澳洲才開始出現類似公司。至於臺灣,2002年臺大醫院與工業研究院簽署合作協議,本人與廖俊仁博士組成團隊針對臨床上的軟骨再生進行一系列研究。有鑑於體外培養細胞程序過於複雜,於是想將健康的軟骨細胞取出,在手術台上經過某種處理後直接植回病人的缺損部位;這不是突發奇想,而是基於個人多年的臨床經驗。從臨床上發現,將病人掉到關節腔的軟骨縫回去,它會再生,而把病人掉到關節腔的軟骨跺碎、鋪在軟骨缺損的地方,軟骨也會再長出來,這表示掉落的軟骨含有修復軟骨的細胞及幹細胞。

組織工程之要素:細胞、基質和環境因子。

  基於前述發想,我們設計出一種新的醫療技術,稱為「兩相關節軟硬骨修復技術」(Biphasic Osteochondral Repair)。所謂「兩相」,係指工研院科學家們所合成的一種材質:表面層是PLGA(聚乳酸-甘醇酸,poly(lactic-co-glycolic acid)),內層為三酸磷酸鈣(Tricalcium phosphate,化學式Ca3(PO4)2)。PLGA和三酸磷酸鈣是長久以來應用在人體上的化合物,如PLGA作為手術縫合線,三酸磷酸鈣用於骨缺損的填補。我們將這兩種化合物重新組合,做成一種圓柱狀、中空的載體,在手術時取下病人軟骨,置入工研院自行研發的切碎機切成小塊,經酵素溶解(酵素的成分是膠原蛋白酶),待軟骨細胞被釋放出來後,先將其放入前述之兩相空腔內,然後將整個載體植入軟硬骨缺損處。

  其實,此一技術的基本原理非常簡單,而且解決了自體軟骨細胞培養或移植技術的重大缺陷,只是過去沒人想到。ACI(Autologous Chondrocyte Implantation)最主要的缺點有二:一是單層培養後的細胞植入人體後會變質,細胞也無法產生足夠的軟骨基質,所以種入後可能會脫落或再生過多,造成植入處不平整;另外,ACI技術施作對象有限制,包括退化性關節炎患者及高齡病人都不能採用。

  我們的技術則具有多個優點:一、不需要培養細胞,只要使用酵素溶解釋出軟骨細胞;二、只要一次手術,不但可修補軟骨表面的軟骨層,也能修補底面的硬骨層;而最重要的是,可以透過關節鏡進行微創手術,對病人傷害最小。對臨床醫師而言,學習曲線相對縮短,利於上手。

  任何新的醫療器材在進入人體臨床試驗之前,必須經過動物實驗,我們利用三種不同的動物:成豬、迷你豬和山羊,以前述方法植入,經過6個月後取出實驗部位,發現實驗部位的軟骨長成與正常透明軟骨相同,不論是組織學上或生物力學上特性都極為近似,另一方的對照組則完全無法自行修復。我們的研究成果連續發表在著名的骨科醫學雜誌Journal of Orthopaedic Research,成功地吸引了美國醫療器材大廠Exactech公司前來洽談技轉事宜,而於2007年3月,以8千萬技轉金加上5%權利金授完成技術轉移。

  為了製造兩相材質,工研院開設了GMP工廠,符合ISO、GMP規範,可自行產製兩相材質。2007年9月,我們獲臺大醫院IRB(人體試驗委員會)核准展開人體臨床試驗,在2008年得到衛生署同意後,開始進行10個病例的臨床研究,即所謂Feasibility Study,意即當一個新開發的醫療材質在廣泛應用於人體前,先要進行的安全性測試。這10位志願者病患的年齡介於18至60歲之間,他們的膝蓋經過X光、核磁共振或關節鏡的診斷證實有軟硬骨缺損,其缺損直徑小於3公分。目前我們已完成一年追蹤,在病人回診時經其同意於植入處取下一小塊切片做組織學觀察,發現硬骨下的空洞已填滿,從切片也證實新生成的細胞確實是軟骨細胞;此外,針對病人進行之膝關節功能性評估-KOOS SCORE,不論是疼痛感、運動、對日常作息影響情形等評分都有進步,唯一例外的一位病人是因罹患慢性骨髓性白血病,已進行過多次軟骨修復手術。

  從這10位病人的臨床試驗成效可得知,接受此一兩相關節軟硬骨修復技術的病人,其表面軟骨長成透明軟骨,硬骨也能成功再生,關節功能有長足進步,膝關節障礙的症狀獲得很大改善,而且未對病人產生不利的負作用。

兩相骨軟骨修復技術的適應症(右起順時鐘方向):(1)骨軟骨剝離症;(2)早期退化性關節病變;(3)股骨髁缺血性壞死。 臺大醫院與工研院合作研發之關節軟硬骨修復技術原理圖示。
臨床前動物實驗,6個月的組織切片顯示(C)對照組的纖維組織及(D)實驗組再生的透明軟骨。 工研院為製造兩相軟骨基質設立GMP工廠。

  取得技轉的Exactech公司將在美國與臺灣同步進行正式的臨床試驗,而臺灣已在2010年7月8日得到新成立的TFDA核准,啟動臨床試驗,預計在12個醫學中心共收集92個病例,實驗組與對照組各46個;對照組採取目前公認的骨髓刺激術法。第一次觀察在12個月以後,之後還會陸續觀察2至5年,估計兩年後可以有結果,若符合預期,則可向衛生署提出查驗登記,獲准後即可上市,供臨床使用。在臺灣獲通過後,也會向歐盟申請,在歐洲國家使用。至於美國,會比臺灣晚一年開始,也希望在5年內獲得FDA核准並上市。

  經過種種實驗證明,我們所研發的新技術可以一次手術修復關節軟骨,對病患傷害最小,除一般軟骨損傷病人以外,也適合10來歲至20幾歲的年輕人常見的骨軟骨剝離症,以及中老年人早期的退化性關節炎等,對於因股骨缺血性壞死、必須置換人工關節的病人來說,如果將來能應用此一方法再生軟骨,就無需置換人工關節,可免除大手術及復原期長等諸多痛苦。

  我們成功利用再生醫學和組織工程學原理,發展出此一修復關節軟骨的技術,已獲7項國內外專利,也發表了10篇以上SCI論文,在國際上居於領先。其創新之處在於省略了細胞培養的步驟,以取出自體部分組織經適當處理後再植入,不必離開開刀房,不進實驗室做培養,節省大量資源。人體器官組織都含有幹細胞,切碎這些組織、釋放出幹細胞,可自行修復受傷的器官組織,而工研院所研發的切碎機也能將臟器切碎;我們的研究對其他領域的再生醫學具有示範性作用,如肝臟細胞移植,或有值得效法之處。(本專欄策畫/臺大醫院骨科部江清泉主任)

江清泉教授(前排左3)與其實驗室團隊。

 
參考文獻:
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江清泉小檔案
臺大醫學系畢業(1977),臺大臨床醫學研究所醫學博士,臺大商學研究所商學碩士。現任臺大醫院骨科部主治醫師兼主任、臺大醫學院骨科教授兼主任、臨床醫學研究所教授、醫學工程研究所教授、商學所教授。歷任臺大醫院門診部、運動醫學科主任。參與學會有亞洲Insall Club(會長)、中華民國骨科醫學會(理事長2008-2010)、臺灣骨科英索學會(理事長)、中華民國運動醫學會(理事長)、中華民國關節重建醫學會(常務理事)、美國骨科研究學會(ORS)、美國骨科運動醫學學會(AOSSM)、美國髖關節膝關節學會(AAHKS),也擔任多種刊物編輯,包括《臺灣醫學會雜誌》、Journal of Arthroplasty、BMC Musculoskeletal Disorders、Technique of Knee Surgery,以及《臺大校友雙月刊》總編輯。專長有骨科醫學、運動醫學、關節病變、關節重建、組織工程、生物力學、醫學工程等。

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