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別傻了,膝蓋軟骨可沒那麼容易再生!—《科學月刊》

文/韓德生|臺大醫院北護分院醫療部主任、臺大醫學系臨床助理教授。

上過國中生物課的讀者,都應該知道海星的腕足被切斷後能新生、被切掉頭的渦蟲甚至可以再生出一個頭。然而隨著演化愈趨複雜,細胞再生的能力會逐漸降低。以人來當例子,手指被切斷了,大概很難再生出一根新的來,更別提新生一顆腦袋了!不過仍有許多人類細胞保有再生能力,像是骨髓中的造血細胞,或是腸子的上皮細胞,他們必須每日不停的分裂才能維持正常生理功能。再比如說肝臟因為腫瘤而接受手術被切掉了一半,仍然能再生回原來的尺寸;也因此活體捐肝得以進行。

那麼,軟骨組織呢? 讓許多老人困擾的膝蓋疼痛,正是由於軟骨磨損造成的退化性疾病,醫學界用盡方法希望能促進軟骨的再生,電視上也不時看到讓你軟骨新陳代謝成功的廣告。究竟,是否能讓退化的老人或是受傷的年輕人能重新擁有健康的膝關節,重享彩色的人生呢?

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海星的腕足被切斷後能新生。然而隨著演化愈趨複雜,細胞再生的能力會逐漸降低,人類也只剩部份組織能夠順利再生,那軟骨組織呢?圖 / By Bong Grit @ flickr

今(2016)年 7 月 6 日出刊的《科學轉譯醫學期刊》(Science Translational Medicine)有一篇精彩的研究:利用碳 14 定年的方法驗證軟骨的再生能力。只可惜, 結果可能要讓你大失所望了。

碳 14 定年法常被用於考古學研究,碳 14 是碳元素中具放射性的同位素,其佔所有碳元素的比例在不同時期有特定的比例。活的生物體會不斷攝取自然界中的碳(主要來自大氣中的二氧化碳),在穩定代謝狀態下,碳元素會以有機化合物的形式固定於生物體內,體內碳 14 所佔的比例應與當時大氣中碳14的比例相同。當生物死去時(或不再代謝時),碳原子不再有機會進入身體內,碳 14 所佔的比例便會一直維持在死亡那一天的比例。由於近百年核子試爆頻繁,大氣中碳 14 比例有著精準的紀錄,我們可以輕易對照出一塊生物組織停止代謝的時間。

軟骨組織(cartilage tissue)屬於結締組織(connective), 組織內沒有血管,且代謝率低,以致修復困難。主要由軟骨細胞(chondrocyte)及其所分泌的大量細胞外間質(extracellular matrix)所組成。細胞外間質的主成分是膠原蛋白(collagen),由三條胺基酸長鍊互相螺旋纏繞而成,擁有極佳的抗張性(anti-tensile),是軟骨、肌腱、韌帶的主要成分。糖胺聚糖(glycosaminoglycan)則屬於多醣類,具吸濕性及抗壓性(anti-compressive),常聽到的軟骨素(chondroitin)、玻尿酸(hyaluronic acid) 皆為此類化合物。

依憑碳 14 定年的原理以及軟骨組織的特性,一群丹麥的科學家(包括骨科醫師、腫瘤科醫師及天文物理學家)收集因退化或腫瘤接受人工膝關節置換術或截肢切下的脛骨端軟骨組織,包括 15 支退化磨損膝關節及 8 支正常膝關節(來自7 位腫瘤截肢病患及一位捐贈大體),分析其中膠原蛋白與糖胺聚糖中碳 14 之比例並加以定年。經過酵素分解、分層與純化,它們發現:位在膝關節中央位置的軟骨,其膠原蛋白平均停留在 11 歲時的碳 14 比例膝關節周邊的軟骨則平均停留在 13 歲,且退化組和正常組兩組間無顯著差異。這表示在 13 歲之後,軟骨便不再發生含碳化合物的新陳代謝!另一方面,糖胺聚糖的碳 14 比例均接近手術取樣時之碳 14 比例,表示其合成持續終生。

這個實驗證實了膝蓋軟骨無法再生的事實。然而,軟骨組織真的在任何狀況下都沒有辦法再生嗎?此研究並沒有回答這個問題。目前再生醫學界仍嘗試利用以下三種方法促進關節軟骨重建:

1. 修整法:被視為保守治療,利用關節鏡技術將裂開的部分縫補、碎片的部分移除。

2. 重建法:或稱組織工程法。取出自體軟骨細胞,利用組織培養技術,在體外「養」出一片新的軟骨組織,再經由手術移植回膝關節。

3. 修復法:利用關節注射適當的軟骨生長因子,或是直接在軟骨上鑽洞,讓骨髓中豐富而多樣的生長因子流入關節腔,達到軟骨再生的目的。生長因子的注射可以利用高濃度糖水刺激誘發(prolotherapy,增生療法)、也可抽取病患富含血小板的血漿(platelet-rich plasma, PRP)、甚至是幹細胞療法。

許多研究也發現上述再生方法的確會增加膠原蛋白合成,然而這些膠原蛋白是否會加入軟骨組織提供緩衝力,還是只出現在關節液中,遲早還是被代謝掉,則仍有賴進一步研究。

此外,正常狀況下,軟骨組織的含水量可視為是軟骨健康程度的一項指標。糖胺聚糖與含水量相關。本研究發現糖胺聚糖終生皆可被合成加入軟骨組織,若經由適當的再生治療,增加糖胺聚糖的合成,或許可以增加軟骨的耐壓力,此點也有待進一步生物材料力學研究證實。

再者,此研究尚無法回答「軟骨在青春期前是否有再生的能力」。應可思考在青春期前藉由適度運動鍛鍊肌肉骨骼系統,趁年輕存老本,待成年後才有足夠的軟骨組織可用。

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應可思考在青春期前藉由適度運動鍛鍊肌肉骨骼系統,趁年輕存老本,待成年後才有足夠的軟骨組織可用。圖 / By brett lohmeyer @ flickr

此研究結論是:不論有無退化,關節軟骨在成熟後便不再進行膠原蛋白的合成。這在告訴我們:「預防勝於治療」, 青春期前多鍛鍊,成年後注意保養才是王道;等到膝蓋開始退化了才進行的處置,可能都嫌晚了。不過,本研究也未否定常用的再生醫療,讓醫學界仍有持續研究軟骨再生的潛力與空間,這正有待各位聰明讀者的接續努力來發現。


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〈本文選自《科學月刊》2016 年 10 月號〉

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