中研院协同阳明交大团队 找出让停止的心脏再次跳动的蚕丝蛋白

人的心脏为什麽会跳动?主要原因是来自於心脏的节律点(sinoatrial node)会放电,自发的电流使心肌收缩把血液打到全身。人类的心跳平均每分钟60∼100下,不过随着年龄增长,器官用久了会逐渐耗损,心脏内的节律点也会老化故障,使心跳愈来愈慢,严重者更会造成如病窦症候群(sick sinus syndrome)意、房室传导阻滞(atrioventricular block, AVB)等疾病。罹患相关疾病的病患身体会出现虚弱无力、呼吸困难、晕倒,甚至猝死等症状。
在台湾,与心跳相关的疾病盛行率约1∼2%,但如果是65岁以上的长者,这个数字可能更高。治疗这类心脏传导疾病的传统方法就是花2小时的手术,在身体内装设心律调节器。不过,心律调节器有其极限,大约6∼8年需要更换电池,且这类侵入性手术也有感染风险,甚至在现今手机盛行的年代,安装心律调节器的患者也必须尽可能让手机远离心脏。目前在台湾,有超过4万人的心脏中装有心律调节器,因此科学家无不希望找到可以替代方法。
有监於此,由台北荣总心脏科医师,同时也是中研院生医所副研究员的胡瑜峰,与阳明交通大学生物医学工程学系教授锺次文和马偕医学院、台中荣民总医院等单位合作,带领团队发现一种以蚕丝做成的生物材料,将原本不会放电的心肌细胞,转换为可以自行跳动的心脏节律点,让心脏恢复跳动。
研究团队成功利用来自农委会苗栗改良场所培养的蚕丝,纯化制成蚕丝蛋白凝胶,注射到小鼠心脏後,将原本不会跳动的心肌细胞,转换为可以放电跳动的节律点。蚕丝蛋白过去就曾用於手术缝线、人工敷料等,这次则是首次发现蚕丝蛋白除了力学与生化特性外,还有细胞转化及制造生物电能的性质。
此外,研究团队在动物实验中也发现,以蚕丝蛋白做成的生物材料,能促成钙黏蛋白(cadherin)在心肌细胞的异位表达,并启动一连串下游机转,藉此让心脏重新放电并恢复心跳。这项发现代表研究团队能让心脏再一次生成能放电的细胞,一旦窦房结老化或病变,新生成的细胞也可接续承担放电、让心脏跳动的重要作用。
胡瑜峰表示,过去研究也曾尝试将特定基因注射到心肌细胞的基因疗法,但使用病毒做载体的副作用大,所以後来才考虑用生物材料的方法。锺次文则说明,过去研究团队尝试数十种生物材料,而他也曾用相同材料制成修补心肌细胞的心肌缀补片,这次则是找到使用蚕丝蛋白为生物材料让心搏停止的心脏恢复跳动的方法。
此重大发现改变人们对治疗心律不整的看法,研究成果也登上国际顶尖期刊《自然生物医学工程》(Nature Biomedical Engineering)中。另外,这项研究也透过动物实验证实,除了干细胞培养与基因疗法外,生物材料也有机会治疗心脏传导疾病。

新闻来源
1. 中研院,〈生物材料将心肌细胞转换为节律细胞〉,2021年12月8日。
2. 阳明交通大学,〈神奇蚕丝蛋白让停止跳动的心脏恢复跳动,荣阳交团队成功利用生物材料将心肌细胞转换为节律细胞〉,2021年12月4日。

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