因爱而受伤的心可以靠时间抚平，但因心脏病发而受损的心肌却会日渐恶化。和肝脏或皮肤不同的是，心脏组织无法再生，心脏病留下的疤痕会一直是一块无法收缩的死域。这块称为「梗塞」（infarct）的伤疤，会妨碍心肌正常的同步收缩，加重心脏健康部位的负荷，造成更多心肌细胞死亡和心壁变形；短短几个月之内，就会因恶性循环而使梗塞的面积加倍。
虽然当前在医疗急救后，有较多的病患得以度过心脏病的危机，但至少有三分之一的患者，受损的心脏会变得越来越衰弱，这种状况在医学上称为心脏衰竭，而当前只有一种治疗方法：心脏移植。移植是一种既困难又昂贵的手术，而且因为捐赠者严重不足而受限，举例来说，去年美国新增的心脏衰竭病例有55万件以上，但仅有2000件心脏移植案例，对其他的病患来说，他们的生活质量每况愈下；只有不到40%的病患，在初次病发后还能活过五年。
如果医生能修补心脏梗塞的部位，或只是停止梗塞面积的扩张，就能拯救数百万条生命。也因此，建造人类心脏活体组织补片，已成为组织工程学中最紧急的目标，同时也是野心最大的计画。因为在建造心脏组织时，肌纤维需要先自行平行排列，然后建立物理性和神经性连结，才能传导电讯号，让心肌纤维同步收缩。皮肤和软骨组织就没有那么复杂，因为它们内部不需要血管分布，也比较容易在实验室里培养。由于血液的供应攸关细胞生死，对于心脏肌肉等较厚的结构，如何将血管融入立体的组织中，当前仍是一大障碍。
尽管如此，在15年前，想要在动物体外制造任何类型的活体组织，都还被认为是异想天开；但从那时起，细胞生物学家和材料工程学家就分别从他们的领域，为这挑战提出新的见解和技术，并有了长足的进展。以我个人的合作经验为例，工程原理便扮演着关键性的角色，使我们研究团队能开发出一种可促进心脏细胞和血管生长的支架，甚至在梗塞的死域中也能发挥效用。
奠定基础
心肌梗塞（myocardial infarction）也就是一般所说的心脏病，成因通常是供应左心室血液的主要血管突然受异物（像是血块）堵塞，造成负责心脏收缩的心肌细胞部份因缺血缺氧而死亡，成为一条死掉的组织。梗塞的面积，视受阻塞血管负责供应区域的大小而异。
由于心肌细胞鲜少进行细胞分裂，因此无法靠存活的细胞自行复制以修补该区域。虽然动物体内有些组织具有可以衍生各式新细胞的干细胞，然而干细胞在心脏的表现却难以捉摸，似乎无法让心脏的伤口愈合。因此到最后，反而是由不具收缩能力的纤维细胞逐渐替换梗塞坏死的心肌细胞，梗塞区域周围的健康心肌细胞也跟着死亡，导致梗塞区域范围扩大。在这个称为「重塑」（remodeling）的过程中，梗塞区域的心室壁会变薄，然后心室会扩张（参见右页〈心脏衰竭：从瞬间致命到慢性病痛〉），最终甚至可能破裂。
过去几年间，研究人员曾移植骨髓或骨骼肌等其他组织的干细胞至梗塞区域内，企图重建心脏组织。他们期望这些细胞能够适应新环境，开始制造心肌细胞，或至少激发心脏本身可能具有的任何自然再生能力。不幸的是，这类试验通常不太成功，大部份的干细胞都禁受不起移植，能够幸存的干细胞则倾向聚集在梗塞区域的边缘，无法与邻近的健康组织建立接触，或传导电信号让心脏细胞同步收缩。
这些移植的干细胞无法在梗塞部位生长，主要原因是受伤的区域缺乏一些支持细胞的重要基础结构。在健康的组织内，存在着一些结构性蛋白质（例如胶原蛋白，collange）和复杂的多醣分子（像是硫酸乙醯肝素，heparan
sulfate）构成的细胞外间质（extracellular matrix），它们除了能够提供细胞结构上的支持外，也会释出一些刺激细胞生长的化学物质。
组织工程学家了解到细胞外间质的重要性后，就一直在找寻一种理想的替代品，以做为活体组织生长的平台。这些材质必须能形成支撑细胞的支架，并且让细胞在支架内能够生长、分裂、自行排列成立体组织，宛如在自然状况下一样。这种构造体，将能解决移植的细胞无法附着在受伤区域的问题。然而当细胞定居下来，并开始分泌自己的细胞外间质时，这些支架也会溶解，仅留下健康的组织。或许最重要的是，这些支架必须能让（更好的情况是能刺激）新组织快速形成血管网络。血管可把氧气运送到每一个细胞，并带走代谢废物，这是细胞移植到活体后得以生存的必要条件。
1980年代末期，作者之一的科恩有幸能与美国麻省理工学院组织工程学先驱兰格（Robert
Langer）合作（见延伸阅读1）。建造活体组织在当时仍被许多人视为遥不可及的梦，细胞也总是被列为生物学家的研究范畴，而我们则是化学工程师。不过当时正是两个领域都有突破进展的时期：生物学家对细胞与物质间的交互作用有了许多新的见解，而化学工程学家合成新类型聚合物的能力也正不停拓展。20年来，组织工程学家已经利用过各式各样的合成或天然材质进行实验，企图制造最佳的生长平台，让活细胞在里面能长成完整而且功能俱全的组织。
在采用的人工合成材质中，最常见的是由乳酸交酯（lactide）或乙交酯（glycolide），或结合两者所构成的可分解性聚酯。虽然这些材质可在人体内安全使用，但它们有几项缺点：这类材质大多都会排斥水，活细胞较难附着在上面；这类聚合物形成的支架比较容易坍塌，而且当这些材质分解时，生成的酸性副产物可能会引起局部组织发炎，同时还会影响移植细胞的生存。较新型的合成水性凝胶则没有这些问题，而且它们在结构上也类似天然的细胞外间质。尽管如此，人造水性凝胶仍缺乏一般天然的细胞外间质蛋白质（像是胶原蛋白）所具有的化学特性，无法提供细胞重要的功能信号。
科学家曾经测试过胶原蛋白以及其他细胞外间质蛋白质，例如纤维黏连蛋白（fibronetin），做为支架材料的可能性。这些蛋白质的构成胺基酸确实较易吸附活细胞，但却都缺乏支持大量细胞时所需的机械强度，而且胶原蛋白尤其容易被体内的酵素分解。此外，这些蛋白质也有可能引发免疫排斥现象（视来源而定），而加重心脏衰竭病患的危险和痛苦。
因此，我们决定尝试采用另一种天然聚合物来建造支架：褐藻酸盐（alginate），一种源自藻类的多醣。褐藻酸盐具有生物兼容性，意味它不会刺激人体的免疫系统。当某一特定类型的褐藻酸盐溶于水，遇到带正电的钙离子后，它的分子会连结形成含有98%水的凝胶，其胶质密度和弹性都类似天然的细胞外间质。
但在利用褐藻酸盐形成的凝胶做为支架时，我们需要赋予它形状和内部结构，同时还要加强它的机械强度，使它在承受了植入细胞的重量后，还能维持特定形状。为了达成这目标，我们利用工程学原理，发展了一套固化褐藻酸盐的新技术。
首先我们将褐藻酸盐溶液倒入各式模板中，然后利用三种不同的冷却方法，每种方法都会让溶液在冷冻的过程中生成独特的温度梯度。所有冷冻样本的结构里，冰晶之间都被一层层的薄褐藻酸盐壁所隔开。我们再让冰晶升华，留下的就是海绵状的支架。支架内的细小孔洞反映着冰晶的形状。如同我们的猜测，透过不同的冷冻方法，我们可以控制细孔的密度、大小、方向，以及它们相互连通的程度（参见左页〈如何制作组织支架〉）。
相互连通的孔洞特别重要，因为它们让植入的细胞能够在支架结构中自由移动；而且在细胞培养期间，养份和废物要能畅行无阻，也是细胞生存的必须条件。我们还了解到孔洞间相互连通的程度，与新生血管能否穿透形成中的移植组织，有密切的关联。最后一点是，支架内部类似泡棉或蜂巢的独特构造，会影响结构的机械强度，即使当细孔占了支架总体积的95%，支架仍能承受相当的外来压力。
现在我们已有能力制造特定形状和构造的支架，采用的是无化学毒性的天然材质，不会刺激免疫系统，并具有良好的机械耐受力，且会在合理的时间内被人体所分解。尽管如此，我们还需要观察活细胞是否也认为：这样的支架可以代替梗塞部位所没有的细胞外间质。
建造组织
在将我们制作的支架植入实验动物前，我们想先看看在体外培养时心脏细胞对褐藻酸盐的反应如何。我们取得了大鼠胚胎的心脏细胞（和成熟心肌细胞不同的是，它仍具有分裂能力），先让这些细胞悬浮在含有养份的培养液内，再将悬浮液注入直径六毫米、厚一毫米的圆饼形支架中，在轻微离心力的协助下，细胞很快渗入支架的细孔，不到30分钟就自行分布均匀
。
由于这些细胞对「缺氧」非常敏感，因此速度是一项很重要的优势，它可以增加细胞的存活率。而均匀分布的特点，则让我们能够植入大量的细胞，结果我们的支架可容纳的细胞密度高达每立方公分108个细胞，和自然心脏肌肉组织中成熟细胞的密度相当。
我们将含有细胞的支架放入一种称为「生物反应器」的特殊培养箱内，箱中可以维持理想的湿度和大气条件，同时还能让含有养份的培养液不断在支架内部和周围循环。我们密切监控着细胞代谢的情形，在48小时后，已可检测到心肌细胞的跳动。七天后，是执行下一步骤的时候了：将支架移植回活体心脏。
我们将七天前左心室发生心肌梗塞的成年大鼠麻醉，并进行手术。每一种动物的梗塞部位都很容易就可看出：那是一个无法收缩、显而易见的淡色疤痕。我们将含有细胞的支架直接放在梗塞部位上，缝合手术切口，然后耐心等待。
两个月后，我们再度打开大鼠胸腔检视心脏，惊讶地发现，已有大量的新生血管从心脏的健康组织长到移植组织之内（参见上方插图）。移植的人造心脏组织融入伤疤组织的情况良好，褐藻酸盐支架也开始分解，似乎由天然的细胞外间质替换。胚胎心肌细胞已发展为成熟的心肌纤维，其中一些细胞也自行排列成平行结构，就像自然的心肌组织。这些纤维，也具备了让心脏细胞收缩、传导神经讯号所需的机械性连结和电突触。
我们在移植前，曾以超声波检查大鼠的心脏功能，并对控制组的心肌梗塞大鼠进行假手术，却未放入移植组织。两个月之后，我们也对所有大鼠进行心脏超声波检查。在控制组，我们见到典型的心脏功能恶化的情形：心室扩张且心脏功能严重减弱；相对的，移植组的情形全都和刚发生梗塞时的状况接近：左心室的大小、心室壁的厚度，还有心脏的功能皆无变化。
我们已经达成了这项研究的最初目标：保护梗塞的心脏，避免继续恶化造成心脏衰竭。然而我们也还有许多问题尚未获得解答。当前我们仍不清楚这种治疗法是如何保护心脏肌肉，因为移植组织尚未加入心脏一起收缩。它的效果看起来比较像避免梗塞部位的扩大，并且增加了梗塞心脏的心室壁厚度，只能说，移植的组织可能防止了心室重塑。
我们相信在梗塞区域内新血管的生长，也是大幅减缓恶化的原因。让我们感到意外的结果是，除了含有细胞的支架内有最多和最大的血管形成外，没有植入细胞的支架也可刺激血管生长到梗塞部位里。
褐藻酸盐支架能刺激新血管的生成，可能只是因为它们在血管穿入受伤区域时提供了结构上的支持。我们也怀疑材质本身可能有助于召集干细胞来协助再生过程，因为褐藻酸盐的化学构造类似细胞外间质中一种重要的多醣类：硫酸乙醯肝素。为了测试这想法，我们最近尝试将褐藻酸盐凝胶直接注射到大鼠的梗塞部位，发现即使只有褐藻酸盐，也得以维持心室的结构和功能，显然褐藻酸盐替代了细胞外间质，因而刺激血管新生。
当然，和这领域中的其他许多研究者一样，我们也正在测试各种来源的心脏细胞，应用在人体移植上的潜质。由于病患自身的成熟心脏细胞并不会复制，因此它们不在考虑范围之内。其他可诱导成为心肌细胞的，包括了胚胎干细胞和来自骨髓或脐带血的「成体」干细胞。然而所有捐赠细胞都有可能被病患的免疫系统视为外来物，而必须使用抑制免疫系统的药物。自体移植（使用病患本身的细胞）是防范免疫排斥的选择，其中包括干细胞和衍生自骨髓、肌肉和脂肪的前驱细胞，或是将病患细胞经所谓「医疗复制」制造出来的胚胎干细胞；或者心脏本身可能也有尚未被找到的心脏干细胞。
心脏重建之路
我们的成果令人振奋，并且也显示了数种可行的办法，可以使用褐藻酸盐支架来保护因为心肌梗塞而受损的心脏，并且促进心肌再生。举例来说，在三年之内，我们相信我们一定能测试不含细胞的褐藻酸盐支架对人类心肌梗塞的效果。我们最近利用猪只实验再度证实我们在大鼠见到的现象：即使没有植入细胞，褐藻酸盐支架本身似乎就可以防止新梗塞部位继续扩大，以及避免心室的重塑。因此对心脏尚未出现严重重塑情形的病患，这种方法将能阻止重塑的发生，而有效防范患者的症状恶化为心脏衰竭
。
褐藻酸盐明显有助长血管新生的能力，显示我们或许可以先将支架植入动物体内，待血管形成后，再将细胞植入支架，以增进移植细胞的存活率。我们在大鼠体内尝试这种体内组织形成的实验，并获得非常有希望的结果。尤其是当我们加入含有生长因子的缓释微粒时，更大幅增进血管的形成（参见上方插图）。不过我们也注意到，在血管预先形成的支架中，可供移植细胞生长的空间也相对减少，所以我们当前正试验使用不同生长因子以调整血管新生。
在当前，体外组织工程学的方法仍让我们对组织的形状、组成和功能有最大的控制力。此外，对梗塞部位已经破裂的病患，需要的是一整片的心脏组织以修补破洞，光靠移植空支架是不会有作用的。因此我们又回到老问题：如何在梗塞处长出足够的血管之前，保持移植细胞的存活。以我们现在的经验，已经可以开始试探制造含血管移植体的可能性。
我们利用含有内皮细胞（构成血管壁的细胞）的褐藻酸盐支架，制造了一个适合微血管生长的温床，然后将它培养在生物反应器里。接下来我们将尝试在支架内同时培养内皮细胞和心肌细胞，看看是否能形成一块含微血管的心肌组织。如果成功的话，下一步就可以观察这块含微血管的组织在移植后是否会有功能，如果有的话，多快会发生。假如它们能很快和附近血管连通，那么移植组织的存活率将会非常高。
还有许多其他研究者也正利用各种不同的策略，想克服制造含血管组织的困难（参见2004年6月号〈新闻扫描：打印身体组织〉）。我相信我们不是唯一尝试心脏组织工程的研究者，如果其他任何可能的办法有机会证明其价值，整个领域都能跟着学习和进步。虽然可能得再花15年才能达成最终目标，但建造人体心脏活体补片的梦想，肯定不再是异想天开。
【2004-12-01/科学人/34期/P.68】
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