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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

312期2017年10月號

出版日期:2017/10/15

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打造細胞牧場 做再生醫學的堅實後盾

撰文/賴宛靖 攝影/黃鼎翔 

再生醫學與細胞治療是未來醫療的新方向,因此細胞培養及生產技術日益重要。工研院成功打造「貼附型細胞牧場」,創新的3D結構,可在有限空間培養最大量細胞;收成時還能將3D結構破壞,破解取出不易的瓶頸。

工研院研究團隊所研發出的「拋棄式細胞量產生物反應器」,可解決長期困擾業界的細胞培養低回收率及低良率問題。
工研院研究團隊所研發出的「拋棄式細胞量產生物反應器」,可解決長期困擾業界的細胞培養低回收率及低良率問題。


八仙塵爆傷患靠自體皮膚細胞培養、移植技術,大幅縮短痊癒時間,讓民眾見識到再生醫學的威力,細胞培養技術則是當中的關鍵。工研院研發的「拋棄式細胞量產生物反應器」,可解決長期困擾業界的低回收率及低良率問題,將回收率從六成提升至八成以上,品質大幅提升。未來包括骨骼細胞、各類幹細胞、等貼附型細胞,皆可大規模生產,此技術也入選2017全球百大科技研發獎。

從少量測試驗證概念可行開始,團隊的心情隨著培養規模逐步擴增而起起伏伏,當中一度成效卓著,培養數量高出現行技術上萬倍,但擴大到具商業效益規模時,難度也同步放大。「很多關鍵技術需摸索,例如,生產細胞需有可支撐的表面讓細胞貼附,細胞才會生長與分裂,而這材料表面的處理技術就是核心所在,也是許多研究者一直想突破的點,」工研院生醫與醫材研究所再生醫學技術組組長沈欣欣說。

找出細胞喜歡的貼附材料

表面材料經過怎麼樣的處理,才會讓細胞在上面長得好呢?工研院生醫所研究員劉育秉表示,這牽涉到材料的特性,像是親疏水性、帶電荷等細節,例如若採用塑膠材料,表面會讓關鍵細胞貼附不來,因此研究團隊會在塑膠表面做處理,就像「舖個地毯」,細胞感覺舒服就會願意生長。「材料多如天上繁星,團隊先找尋與細胞特性相似的材料,再著手改變其特性,像是將本來疏水的塑膠改成親水性,表面改質後,細胞較易生長;且因不同種類、特性的細胞,適合的生長的偏好各異,還得因應其特性來改變表面材質。」

團隊成員中的再生醫學技術組專案經理王英凱,深諳細胞特性及喜好。「近年如火如荼的細胞療法、幹細胞治療,都需要為數眾多的細胞,才能支持研究繼續下去。且實際應用於治療時,打進去的細胞劑量也要夠多才能有療效。過去作細胞培養都是平面的二維結構(2D),但細胞育成數量取決於面積,因細胞貼附生長的特性,面積多大就長多少,因此若想獲得極大量、可商品化的細胞,培養空間的面積可能是天文數字,成本也會相當高。」

為細胞蓋一棟「別墅」

為了在有限空間中得到最大量的細胞,研究團隊把二維結構改為三維結構(3D),但因空間堆疊後細胞長在結構深處取得不易,團隊再研究出能把結構瓦解,取出深層細胞的專利技術,成功培養出2D結構無法達到的細胞數目,也解決了3D看得到卻取不到細胞的難度,一舉突破全球專家苦思不得其解的關鍵。「就連德國、日本研究團隊,在幹細胞擴增技術上,也無法取得如此大量的細胞,」王英凱興奮地表示。

「貼附型細胞牧場」培育出品質優良的細胞,更研發出3D結構,在有限空間內培養出最大細胞量。
「貼附型細胞牧場」培育出品質優良的細胞,更研發出3D結構,在有限空間內培養出最大細胞量。

除此之外,拋棄式細胞量產生物反應器的機構設計也延攬機電專家做系統整合、軟硬體介面設計,規劃控制器、感測器等硬體。加上有生醫背景的工作夥伴協助,了解細胞生長的關鍵條件、有哪些參數、指標、以及自動控制的步驟,預計雛型機將於2017年底問世。

回收及良率大躍進 單位成本大幅降低

「工研院的拋棄式細胞量產生物反應器的回收率可達八成,對照現有技術回收率多落在四到六成,且品質及存活度都無法令人滿意,」王英凱說。醫界也發現,細胞培育越多代,功能越容易喪失,建議養到第五代就無需再培養,以免「一代不如一代」。此技術最大亮點也在於,「在五代內即培養出數量充足的細胞,足足是業界培養數量的好幾萬倍,」王英凱指出。

舉例來說,用這項技術培養一公克的脂肪細胞,培養21天就能取得2.8乘以10的11次方,若換算成劑量,以體重60公斤病患所需,可製作出4,600多劑;對照現行培養法需培養36天,也做不出一劑的量。沈欣欣表示,細胞培養過程中,品質控管最耗費成本,因此最終得到的細胞越多,單位成本就越低。以2017年底規劃推出的雛型機來說,第一代細胞在一個月內就能產出10的9次方,也就是10億個品質優良的細胞,經過幾次培養放大,估計可供應給上萬個病人使用,效益驚人。

再生醫學治療成功的關鍵在細胞量,但如果在最基礎的細胞培養技術上無法突破,就如巧婦難為無米之炊。工研院成功培育出大量又優質的細胞,技術獨步全球,相信也將為全球再生醫學的進展向前推進了一大步。

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